Топлинската енергија е основен концепт во разбирањето на тоа како топлината и температурата играат улога во различни физички феномени. Оваа лекција ги истражува основите на топлинската енергија, како таа се поврзува со топлината, енергијата и физиката и дава илустративни примери и експерименти без да бара никаква пракса од читателот.
Топлинската енергија е внатрешната енергија присутна во системот поради случајните движења на неговите честички. Тоа е форма на кинетичка енергија бидејќи произлегува од движењето на честичките - атоми, молекули или јони. Колку побрзо се движат овие честички, толку е поголема температурата на супстанцијата и, следствено, нејзината топлинска енергија.
Важно е да се направи разлика помеѓу топлинската енергија и температурата, иако тие се тесно поврзани. Температурата е мерка за просечната кинетичка енергија на честичките во супстанцијата, додека топлинската енергија се однесува на вкупната кинетичка енергија на сите честички во системот. Затоа, топлинската енергија не зависи само од температурата туку и од масата на системот и видот на честичките што ги содржи.
Топлината е енергија во транзит. Тоа е проток на топлинска енергија помеѓу објекти со различни температури. Кога два објекти на различни температури ќе дојдат во контакт, топлинската енергија се движи од потоплиот кон поладниот објект додека не се постигне топлинска рамнотежа, што значи дека двата објекти имаат иста температура. Овој феномен го демонстрира вториот закон на термодинамиката, наведувајќи дека енергијата спонтано има тенденција да тече од повисока кон пониска температура.
Преносот на топлина може да се случи на три начини: спроводливост, конвекција и зрачење.
Разбирањето на топлинската енергија, нејзиното мерење и пренос е од клучно значење во различни секојдневни и научни контексти. Еве два експерименти за да се покажат овие принципи:
Топлинскиот капацитет на супстанцијата е важен концепт во топлинската физика. Тоа е количината на топлина потребна за промена на температурата на единица маса на супстанцијата за еден степен Целзиусов. Специфичниот топлински капацитет ( \(c\) ) е даден со равенката: \(Q = mc\Delta T\) каде \(Q\) е додадената топлина, \(m\) е масата на супстанцијата, \(c\) е специфичен топлински капацитет, а \(\Delta T\) е промената на температурата.
За да се истражи овој концепт, може да се измери топлинскиот капацитет на водата со загревање на позната маса на вода и снимање на промената на температурата. Со примена на топлинската енергија преку електричен грејач и мерење на испорачаната енергија со помош на електричен метар, може да се пресмета специфичниот топлински капацитет на водата, познат како приближно \(4.18 \, \textrm{J/g°C}\) .
Едноставен експеримент за визуелизирање на конвекција вклучува загревање на водата во проѕирен сад со мали, видливи честички суспендирани во него (како сјај или семиња). Како што водата на дното на контејнерот се загрева, таа се шири, станува помалку густа и се крева, додека поладна и погуста вода тоне. Ова создава струи на конвекција што може да се набљудуваат како движење на честичките.
Топлинската енергија и нејзините методи на пренос имаат огромна примена во нашиот секојдневен живот и во индустриските процеси. На пример:
Разбирањето на топлинската енергија е од клучно значење во физиката и секојдневниот живот. Ги опфаќа концептите на топлина, температура и пренос на енергија, интегрирајќи ги основните елементи на физичката наука. Со истражување на движењето и интеракцијата на честичките и преку едноставни експерименти, овој фундаментален концепт станува достапен, покажувајќи ја неговата универзална примена и важност во различни појави и технологии.
