انرژی حرارتی یک مفهوم اساسی در درک چگونگی نقش گرما و دما در پدیده های فیزیکی مختلف است. این درس به بررسی اصول اولیه انرژی حرارتی، چگونگی ارتباط آن با گرما، انرژی و فیزیک می پردازد و مثال ها و آزمایش های گویا را بدون نیاز به تمرین از خواننده ارائه می دهد.
انرژی حرارتی انرژی درونی موجود در یک سیستم به دلیل حرکات تصادفی ذرات آن است. این نوعی انرژی جنبشی است زیرا از حرکت ذرات - اتم ها، مولکول ها یا یون ها ناشی می شود. هرچه این ذرات سریعتر حرکت کنند دمای ماده و در نتیجه انرژی حرارتی آن بیشتر می شود.
مهم است که بین انرژی حرارتی و دما تمایز قائل شویم، اگرچه آنها ارتباط نزدیکی با هم دارند. دما معیاری از میانگین انرژی جنبشی ذرات در یک ماده است، در حالی که انرژی حرارتی به انرژی جنبشی کل تمام ذرات در سیستم اشاره دارد. بنابراین انرژی حرارتی نه تنها به دما، بلکه به جرم سیستم و نوع ذرات موجود در آن نیز بستگی دارد.
گرما انرژی در حال انتقال است. جریان انرژی حرارتی بین اجسام با دماهای مختلف است. هنگامی که دو جسم در دماهای مختلف با هم تماس پیدا می کنند، انرژی حرارتی از جسم گرمتر به جسم سردتر حرکت می کند تا زمانی که تعادل حرارتی حاصل شود، به این معنی که هر دو جسم دارای دمای یکسان هستند. این پدیده قانون دوم ترمودینامیک را نشان می دهد که بیان می کند که انرژی به طور خود به خود از دمای بالاتر به دمای پایین تر جریان می یابد.
انتقال گرما می تواند به سه طریق انجام شود: رسانایی، همرفت و تابش.
درک انرژی حرارتی، اندازه گیری و انتقال آن در زمینه های مختلف روزمره و علمی بسیار مهم است. در اینجا دو آزمایش برای نشان دادن این اصول وجود دارد:
ظرفیت گرمایی یک ماده یک مفهوم مهم در فیزیک حرارتی است. مقدار گرمای مورد نیاز برای تغییر دمای یک واحد جرم ماده به میزان یک درجه سانتیگراد است. ظرفیت گرمایی ویژه ( \(c\) ) با معادله داده می شود: \(Q = mc\Delta T\) که در آن \(Q\) گرمای اضافه شده است، \(m\) جرم ماده است. \(c\) ظرفیت گرمایی ویژه است و \(\Delta T\) تغییر دما است.
برای کشف این مفهوم، می توان ظرفیت گرمایی آب را با گرم کردن یک جرم شناخته شده آب و ثبت تغییر دما اندازه گیری کرد. با اعمال انرژی گرمایی از طریق یک بخاری الکتریکی و اندازه‌گیری انرژی تامین‌شده با استفاده از کنتور الکتریکی، می‌توان ظرفیت گرمایی ویژه آب را محاسبه کرد که تقریباً \(4.18 \, \textrm{J/g°C}\) شناخته می‌شود.
یک آزمایش ساده برای تجسم همرفت شامل گرم کردن آب در یک ظرف شفاف با ذرات کوچک و قابل مشاهده معلق در آن (مانند زرق و برق یا دانه ها) است. با گرم شدن آب ته ظرف، منبسط می شود، چگالی کمتری پیدا می کند و بالا می رود، در حالی که آب سردتر و متراکم تر فرو می رود. این جریان های همرفتی را ایجاد می کند که می تواند به عنوان حرکت ذرات مشاهده شود.
انرژی حرارتی و روش های انتقال آن کاربردهای گسترده ای در زندگی روزمره و فرآیندهای صنعتی ما دارد. مثلا:
درک انرژی حرارتی در فیزیک و زندگی روزمره بسیار مهم است. این شامل مفاهیم گرما، دما و انتقال انرژی است که عناصر ضروری علوم فیزیکی را یکپارچه می کند. با بررسی حرکت و برهمکنش ذرات و با آزمایش‌های ساده، این مفهوم اساسی قابل دسترس می‌شود و کاربرد و اهمیت جهانی آن را در پدیده‌ها و فناوری‌های مختلف نشان می‌دهد.
