Termisk energi är ett grundläggande begrepp för att förstå hur värme och temperatur spelar en roll i olika fysiska fenomen. Den här lektionen utforskar grunderna för termisk energi, hur den förhåller sig till värme, energi och fysik, och ger illustrativa exempel och experiment utan att behöva öva läsaren.
Termisk energi är den inre energi som finns i ett system på grund av partiklarnas slumpmässiga rörelser. Det är en form av kinetisk energi eftersom den uppstår från rörelsen av partiklar - atomer, molekyler eller joner. Ju snabbare dessa partiklar rör sig, desto högre temperatur på ämnet och följaktligen dess termiska energi.
Det är viktigt att skilja mellan termisk energi och temperatur, även om de är nära besläktade. Temperatur är ett mått på den genomsnittliga kinetiska energin för partiklarna i ett ämne, medan termisk energi avser den totala kinetiska energin för alla partiklar i systemet. Därför beror termisk energi inte bara på temperaturen utan också på systemets massa och vilken typ av partiklar det innehåller.
Värme är energi i transit. Det är flödet av termisk energi mellan objekt med olika temperaturer. När två objekt vid olika temperaturer kommer i kontakt, rör sig termisk energi från det varmare objektet till det kallare tills termisk jämvikt uppnås, vilket innebär att båda objekten har samma temperatur. Detta fenomen demonstrerar termodynamikens andra lag, som säger att energi spontant tenderar att flöda från en högre till en lägre temperatur.
Värmeöverföringen kan ske på tre sätt: ledning, konvektion och strålning.
Att förstå termisk energi, dess mätning och överföring är avgörande i olika vardagliga och vetenskapliga sammanhang. Här är två experiment för att demonstrera dessa principer:
Värmekapaciteten hos ett ämne är ett viktigt begrepp inom termisk fysik. Det är den mängd värme som krävs för att ändra temperaturen på en massaenhet av ämnet med en grad Celsius. Den specifika värmekapaciteten ( \(c\) ) ges av ekvationen: \(Q = mc\Delta T\) där \(Q\) är den tillförda värmen, \(m\) är ämnets massa, \(c\) är den specifika värmekapaciteten och \(\Delta T\) är förändringen i temperatur.
För att utforska detta koncept kan man mäta värmekapaciteten hos vatten genom att värma en känd vattenmassa och registrera temperaturförändringen. Genom att applicera värmeenergin genom en elektrisk värmare och mäta den tillförda energin med hjälp av en elmätare kan man beräkna den specifika värmekapaciteten för vatten, känd för att vara ungefär \(4.18 \, \textrm{J/g°C}\)
Ett enkelt experiment för att visualisera konvektion innebär att värma vatten i en genomskinlig behållare med små, synliga partiklar suspenderade i den (som glitter eller frön). När vattnet i botten av behållaren värms upp expanderar det, blir mindre tätt och stiger, medan det kallare, tätare vattnet sjunker. Detta skapar konvektionsströmmar som kan observeras som partiklarnas rörelse.
Termisk energi och dess överföringsmetoder har stora tillämpningar i våra dagliga liv och industriella processer. Till exempel:
Att förstå termisk energi är avgörande i fysiken och i vardagen. Den omfattar begreppen värme, temperatur och energiöverföring, och integrerar väsentliga delar av fysisk vetenskap. Genom att undersöka partiklars rörelse och interaktion, och genom enkla experiment, blir detta grundläggande koncept tillgängligt, vilket visar dess universella tillämpning och betydelse i olika fenomen och teknologier.
