Тепловая энергия является фундаментальной концепцией для понимания роли тепла и температуры в различных физических явлениях. В этом уроке рассматриваются основы тепловой энергии, ее связь с теплом, энергией и физикой, а также приводятся наглядные примеры и эксперименты, не требующие от читателя какой-либо практики.
Тепловая энергия — это внутренняя энергия, присутствующая в системе вследствие хаотического движения ее частиц. Это форма кинетической энергии, поскольку она возникает в результате движения частиц — атомов, молекул или ионов. Чем быстрее движутся эти частицы, тем выше температура вещества и, следовательно, его тепловая энергия.
Важно различать тепловую энергию и температуру, хотя они тесно связаны. Температура является мерой средней кинетической энергии частиц в веществе, а тепловая энергия относится к общей кинетической энергии всех частиц в системе. Следовательно, тепловая энергия зависит не только от температуры, но и от массы системы и типа содержащихся в ней частиц.
Тепло – это транзитная энергия. Это поток тепловой энергии между объектами разной температуры. Когда два объекта с разной температурой вступают в контакт, тепловая энергия перемещается от более теплого объекта к более холодному до тех пор, пока не будет достигнуто тепловое равновесие, то есть оба объекта имеют одинаковую температуру. Это явление демонстрирует второй закон термодинамики, утверждающий, что энергия самопроизвольно стремится перетекать от более высокой температуры к более низкой.
Передача тепла может происходить тремя способами: кондукцией, конвекцией и излучением.
Понимание тепловой энергии, ее измерения и передачи имеет решающее значение в различных повседневных и научных контекстах. Вот два эксперимента, демонстрирующие эти принципы:
Теплоемкость вещества — важное понятие в теплофизике. Это количество теплоты, необходимое для изменения температуры единицы массы вещества на один градус Цельсия. Удельная теплоемкость ( \(c\) ) определяется уравнением: \(Q = mc\Delta T\) где \(Q\) — подведённое тепло, \(m\) — масса вещества, \(c\) — удельная теплоёмкость, \(\Delta T\) — изменение температуры.
Чтобы изучить эту концепцию, можно измерить теплоемкость воды, нагревая известную массу воды и записывая изменение температуры. Подав тепловую энергию через электрический нагреватель и измерив подаваемую энергию с помощью электросчетчика, можно рассчитать удельную теплоемкость воды, известную как приблизительно \(4.18 \, \textrm{Дж/г°С}\) .
Простой эксперимент для визуализации конвекции включает в себя нагрев воды в прозрачном контейнере с взвешенными в ней небольшими видимыми частицами (например, блестками или семенами). Когда вода на дне контейнера нагревается, она расширяется, становится менее плотной и поднимается вверх, в то время как более холодная и плотная вода опускается. При этом создаются конвекционные потоки, которые можно наблюдать по перемещению частиц.
Тепловая энергия и методы ее передачи имеют широкое применение в нашей повседневной жизни и промышленных процессах. Например:
Понимание тепловой энергии имеет решающее значение в физике и повседневной жизни. Он охватывает концепции тепла, температуры и передачи энергии, объединяя основные элементы физической науки. Путем исследования движения и взаимодействия частиц и посредством простых экспериментов эта фундаментальная концепция становится доступной, демонстрируя ее универсальное применение и важность в различных явлениях и технологиях.
