Тепловая энергия

Энергия, измеряемая температурой

На этой горячей металлической конструкции можно увидеть тепловое излучение в видимом свете из-за излучения черного тела .

« Тепловая энергия» широко используется в различных контекстах физики и техники и обычно связана с кинетической энергией вибрирующих и сталкивающихся атомов в веществе. Оно может относиться к нескольким различным четко определенным физическим концепциям. К ним относятся внутренняя энергия или энтальпия материального тела и излучение; теплота , определяемая как вид передачи энергии (как и термодинамическая работа ); и характеристическая энергия степени свободы , в системе, которая описывается через ее микроскопические частицы (где обозначает температуру и обозначает константу Больцмана ). ${\displaystyle k_{\mathrm {B} }T}$ ${\displaystyle T}$ ${\displaystyle k_{\mathrm {B} }}$

Связь с теплом и внутренней энергией

В термодинамике тепло — это энергия , передаваемая в термодинамическую систему или из нее с помощью механизмов , отличных от термодинамической работы или переноса вещества, таких как проводимость, излучение и трение. ^{[1] [2] [3]} Теплота относится к количеству, передаваемому между системами, а не к свойству какой-либо одной системы или «содержащемуся» внутри нее. ^[4] С другой стороны, внутренняя энергия и энтальпия являются свойствами единой системы. Тепло и работа зависят от того, каким образом произошла передача энергии, тогда как внутренняя энергия является свойством состояния системы и, следовательно, ее можно понять, не зная, как туда попала энергия. ^{[ нужна цитата ]}

Макроскопическая тепловая энергия

Внутренняя энергия тела может изменяться в процессе преобразования химической потенциальной энергии в нехимическую энергию. В таком процессе термодинамическая система может изменять свою внутреннюю энергию, совершая работу над окружающей средой или приобретая или теряя энергию в виде тепла. Не совсем разумно просто сказать, что «преобразованная химическая потенциальная энергия просто стала внутренней энергией». Однако удобнее и понятнее сказать, что «химическая потенциальная энергия превратилась в тепловую энергию». Такую тепловую энергию можно рассматривать как вклад во внутреннюю энергию или энтальпию, рассматривая этот вклад как процесс, не думая, что внесенная энергия стала идентифицируемым компонентом внутренней или энтальпической энергии. Таким образом, тепловая энергия рассматривается как «объект процесса», а не как «непреходящий физический объект». На обычном традиционном языке это выражается в словах о «теплоте реакции» . ^{[ нужна цитата ]}

Термин «тепловая энергия» также применяется к энергии, переносимой тепловым потоком, ^[5] хотя ее также можно назвать просто теплотой или количеством тепла. ^{[ нужна цитата ]}

Микроскопическая тепловая энергия

В статистико-механическом описании идеального газа , в котором молекулы движутся независимо между мгновенными столкновениями, внутренняя энергия представляет собой сумму кинетических энергий независимых частиц газа , и именно это кинетическое движение является источником и следствием перенос тепла через границу системы. Для газа, в котором нет взаимодействий частиц, за исключением мгновенных столкновений, термин «тепловая энергия» фактически является синонимом « внутренней энергии ». Во многих текстах по статистической физике термин «тепловая энергия» относится к произведению постоянной Больцмана и абсолютной температуры , также записываемой как . ^{[6] [7] [8] [9] [10]} В материале, особенно в конденсированном веществе, таком как жидкость или твердое тело, в котором составляющие частицы, такие как молекулы или ионы, сильно взаимодействуют друг с другом, энергии таких взаимодействий вносят значительный вклад во внутреннюю энергию тела, но не просто проявляются в температуре. ^{[ нужна цитата ]} ${\displaystyle kT}$ ${\displaystyle k_{\text{B}}T}$

Исторический контекст

В лекции 1847 года под названием «О материи, живой силе и тепле» Джеймс Прескотт Джоуль охарактеризовал различные термины, тесно связанные с тепловой энергией и теплом. Он определил термины «скрытое тепло» и «явное тепло» как формы тепла, каждая из которых влияет на отдельные физические явления, а именно на потенциальную и кинетическую энергию частиц соответственно. ^[11] Он описал скрытую энергию как энергию взаимодействия в данной конфигурации частиц, т.е. форму потенциальной энергии, а явное тепло как энергию, влияющую на температуру, измеряемую термометром, за счет тепловой энергии, которую он назвал живой сила. ^{[ нужна цитата ]}

Бесполезная тепловая энергия

Если минимальная температура окружающей среды системы равна и энтропия системы равна , то часть внутренней энергии системы, составляющая не может быть преобразована в полезную работу. В этом разница между внутренней энергией и свободной энергией Гельмгольца . ^{[ нужна цитата ]} ${\displaystyle T_{\text{e}}}$ ${\displaystyle S}$ ${\displaystyle S\cdot T_{\text{e}}}$

Смотрите также

• Геотермальная энергия
• Геотермальное отопление
• Геотермальная энергия
• Теплопередача
• Преобразование тепловой энергии океана
• Порядки величины (температура)
• Термальная батарея
• Хранение тепловой энергии

Рекомендации

1. Бейлин, М. (1994). Обзор термодинамики , Американский институт физики, Нью-Йорк, ISBN  0-88318-797-3 , стр. 82.
2. Борн, М. (1949). Естественная философия причины и шанса, Oxford University Press, Лондон, стр. 31.
3. Томас В. Леланд младший, Г.А. Мансури (редактор), Основные принципы классической и статистической термодинамики (PDF) , заархивировано (PDF) из оригинала 28 сентября 2011 г. , получено 2 января 2014 г.
4. Роберт Ф. Спейер (2012). Термический анализ материалов . Материаловедение. Марсель Деккер, Inc. с. 2. ISBN 978-0-8247-8963-3.
5. Эшкрофт, Нил ; Мермин, Н. Дэвид (1976). Физика твердого тела . Харкорт . п. 20. ISBN 0-03-083993-9. Мы определяем плотность теплового тока как вектор, параллельный направлению теплового потока, величина которого дает тепловую энергию в единицу времени, пересекающую единичную площадь, перпендикулярную потоку. ${\displaystyle {\bf {j}}^{q}}$
6. Райхл, Линда Э. (2016). Современный курс статистической физики . Джон Уайли и сыновья . п. 154. ИСБН 9783527690466.
7. Кардар, Мехран (2007). Статистическая физика частиц . Издательство Кембриджского университета . п. 243. ИСБН 9781139464871.
8. Фейнман, Ричард П. (2000). «Вычислительные машины будущего». Избранные статьи Ричарда Фейнмана: с комментариями . Всемирная научная . ISBN 9789810241315.
9. Фейнман, Ричард П. (2018). Статистическая механика: Комплект лекций . ЦРК Пресс . п. 265. ИСБН 9780429972669.
10. Киттель, Чарльз (2012). Элементарная статистическая физика . Курьерская компания . п. 60. ИСБН 9780486138909.
11. Дж. П. Джоуль (1884), «Материя, живая сила и тепло», Научные статьи Джеймса Прескотта Джоуля , Лондонское физическое общество, стр. 274 , получено 2 января 2013 г. , я склонен полагать, что обе эти гипотезы окажутся верными — что в некоторых случаях, особенно в случае явного тепла или такого, которое показывает термометр, тепло будет оказалось, что оно состоит в живой силе частиц тел, в которых она индуцируется; в то время как в других, особенно в случае скрытой теплоты, явления возникают в результате отделения частицы от частицы, что заставляет их притягиваться друг к другу через большее пространство.