Теплова енергія є фундаментальним поняттям у розумінні ролі тепла та температури в різних фізичних явищах. У цьому уроці розглядаються основи теплової енергії, її зв’язок із теплом, енергією та фізикою, а також наводяться наочні приклади та експерименти, не вимагаючи від читача жодної практики.
Теплова енергія — це внутрішня енергія, присутня в системі внаслідок хаотичних рухів її частинок. Це форма кінетичної енергії, оскільки вона виникає внаслідок руху частинок - атомів, молекул або іонів. Чим швидше рухаються ці частинки, тим вище температура речовини і, отже, її теплова енергія.
Важливо розрізняти теплову енергію та температуру, хоча вони тісно пов’язані. Температура є мірою середньої кінетичної енергії частинок у речовині, тоді як теплова енергія відноситься до загальної кінетичної енергії всіх частинок у системі. Тому теплова енергія залежить не тільки від температури, а й від маси системи та типу частинок, які в ній містяться.
Тепло — це транзитна енергія. Це потік теплової енергії між об’єктами різної температури. Коли два об’єкти з різною температурою вступають у контакт, теплова енергія переходить від теплішого об’єкта до холоднішого, поки не буде досягнуто теплової рівноваги, тобто обидва об’єкти мають однакову температуру. Це явище демонструє другий закон термодинаміки, який стверджує, що енергія спонтанно прагне перетікати від вищої температури до нижчої.
Передача тепла може відбуватися трьома способами: кондукцією, конвекцією та випромінюванням.
Розуміння теплової енергії, її вимірювання та передачі має вирішальне значення в різних повсякденних і наукових контекстах. Ось два експерименти, щоб продемонструвати ці принципи:
Теплоємність речовини є важливим поняттям теплофізики. Це кількість теплоти, необхідна для зміни температури одиниці маси речовини на один градус Цельсія. Питома теплоємність ( \(c\) ) визначається рівнянням: \(Q = mc\Delta T\) де \(Q\) — додана теплота, \(m\) — маса речовини, \(c\) — питома теплоємність, а \(\Delta T\) — зміна температури.
Щоб дослідити цю концепцію, можна виміряти теплоємність води шляхом нагрівання відомої маси води та реєстрації зміни температури. Подаючи теплову енергію через електричний нагрівач і вимірюючи отриману енергію за допомогою електричного лічильника, можна обчислити питому теплоємність води, яка приблизно \(4.18 \, \textrm{Дж/г°С}\) .
Простий експеримент для візуалізації конвекції передбачає нагрівання води в прозорій ємності з дрібними видимими частинками, зваженими в ній (наприклад, блискітки або насіння). Коли вода на дні ємності нагрівається, вона розширюється, стає менш щільною та піднімається, тоді як холодніша та щільніша вода опускається. Це створює конвекційні потоки, які можна спостерігати як рух частинок.
Теплова енергія та методи її передачі знаходять широке застосування в нашому повсякденному житті та промислових процесах. Наприклад:
Розуміння теплової енергії має вирішальне значення у фізиці та повсякденному житті. Він охоплює поняття тепла, температури та передачі енергії, об’єднуючи основні елементи фізичної науки. Досліджуючи рух і взаємодію частинок і прості експерименти, ця фундаментальна концепція стає доступною, демонструючи її універсальне застосування та важливість у різних явищах і технологіях.
