Топлинска енергија

Топлинско зрачење во видлива светлина од вжарен метал.

Топлинска енергија (топлотна енергија или термална енергија) — поим кој означува неколку различни физички концепти. Тие се внатрешната енергија или енталпија на материјално тело или зрачење; топлина, дефинирана како вид на енергетски пренос (како во термодинамичка работа) и својствената енергија на степен на слобода (${\displaystyle k_{\mathrm {B} }T}$) во систем опишан од неговите микроскопски четични составници (каде ${\displaystyle T}$ е температурата, а ${\displaystyle k_{\mathrm {B} }}$ е Болцмановата константа).

Однос со топлината и внатрешната енергија

Во термодинамиката, топлината е енергија пренесена во или од термодинамички систем по пат механизми како спроведување, зрачење и триење, но не термодинамичка работа или пренос на материја.^[1][2][3] Топлината се однесува на количеството пренесено помеѓу системите, а не на својството на некој систем или содржаното во него.^[4] Од друга страна, внатрешната енергија и енталпијата се својства на единечен систем. Топлинара и работата зависат од начинот на кој се пренесува енергијата, додека внатрешната енергија е својството на системската состојба и може да се разбере без да се знае како дошла енергијата.

Макроскопска топлинска енергија

Внатрешната енергија на едно тело може да се измени во процес при кој хемиска потенцијална енергија се претвора во нехемиска енергија. Во таков процес, теродинамичкит систем може да ја смени неговата внатрешна енергија со вршење работа врз неговата околина, или пак со добивање или губење на енергија како топлина. Со тоа велим дека хемиската потенцијална енергија се претвора во топлинска. Ваквата топлинска енергија може да се гледа како придонесувач кон внатрешната енергија или кон енталпијата, поимувајќи го придонесот како процес без да мислиме дека придонесената енергија станала распознатлива составница на внатрешните или енталписките енергии. Топлинската енергија затоа се поимува како „процесна сушност“, а не како „истрајна физичка сушност“. Во пообичен јазик ова би се нарекло „топлина на реакција“.

Поимот „топлинска енталпија“ исто така важи за енергијата која ја носи еден топлински тек,^[5] иако ова може просто да се нарече топлина или количество на топлина.

Микроскопска топлинска енергија

Со статистичкомеханичкото сфаќање на идеалниот гас, каде молекулите се движат независно помеѓу мигновени судири, внатрешната енергија е збир од кинетички енергии на независните честички на гасот, и ова кинетичко движење е извор и ефект на преносот на енергија преку границите на системот. Кај гас чии честички не заемодејствуваат (освен мигновени судири), поимот „топлинска енергија“ е практично истозначен со „внатрешна енергија“. Во многу учебници по статистичка физика, „топлинска енергија“ се однесува на ${\displaystyle kT}$, производ од Болцмановата костанта и апсолутната температура, изразен и како ${\displaystyle k_{\text{B}}T}$.^{[6][7][8][9][10]} Во еден материјал, особено во кондензирана материја, таквата течна или цврста супстанција чии составни честички (молекули или јони) имаат силни заемодејсва, нивните замодејствени енергии силно придонесуваат кон внатрешната енергија на телот, но не се просто воочливи во температурата.

Историски контекст

Во предавањето насловено како „За материјата, живата сила и топлината“ (1847), Џејмс Џул дал научен опис на разни поими тесноповрзани со топлинската енергија и топлината. Поимите латентна топлина и осетна топлина ги посочил како облици на топлина кои се однесуваат на различни физички појави — потенцијалната и кинетичката енергија на честичките.^[11] Ја опишал латентната енергија како енергија на заемодејство во дадено устројство на честичките, т.е. облик на потенцијална енергија, а осетната топлина како енергија која ја засега температурата што се мери со топломер поради топлинската енергија, која ја нарекол жива сила.

Бескорисна топлинска енергија

Доколку минималната температура на околината на еден систем изнесува ${\displaystyle T_{\text{e}}}$, а неговата ентропија е ${\displaystyle S}$, тогаш дел од неговата внатрешна енергија ${\displaystyle S\cdot T_{\text{e}}}$ не може да се поврати како корисна работа. Ова е разликата помеѓу внатрешната енергија и Хелмхолцовата слободна енергија.

Поврзано

• Геотермална енергија
• Пренос на топлина
• Морскотоплинска енергија

Наводи

1. Bailyn, M. (1994). A Survey of Thermodynamics, American Institute of Physics Press, New York, ISBN 0-88318-797-3, стр. 82.
2. Born, M. (1949). Natural Philosophy of Cause and Chance, Oxford University Press, London, стр. 31.
3. Thomas W. Leland Jr., G. A. Mansoori (уред.), Basic Principles of Classical and Statistical Thermodynamics (PDF)
4. Robert F. Speyer (2012). Thermal Analysis of Materials. Materials Engineering. Marcel Dekker, Inc. стр. 2. ISBN 978-0-8247-8963-3.
5. Ashcroft, Neil; Mermin, N. David (1976). Solid State Physics. Harcourt. стр. 20. ISBN 0-03-083993-9. Густината на топлинската струја ${\displaystyle {\bf {j}}^{q}}$ ја дефинираме како вектор напореден на насоката на топлинскиот тек, чија величина ја дава топлинската енергија по единица време која минува низ единичната површина нормална на текот.
6. Reichl, Linda E. (2016). A Modern Course in Statistical Physics. John Wiley and Sons. стр. 154. ISBN 9783527690466.
7. Kardar, Mehran (2007). Statistical Physics of Particles. Cambridge University Press. стр. 243. ISBN 9781139464871.
8. Feynman, Richard P. (2000). „The Computing Machines in the Future“. Selected Papers of Richard Feynman: With Commentary. World Scientific. ISBN 9789810241315.
9. Feynman, Richard P. (2018). Statistical Mechanics: A Set of Lectures. CRC Press. стр. 265. ISBN 9780429972669.
10. Kittel, Charles (2012). Elementary Statistical Physics. Courier Corporation. стр. 60. ISBN 9780486138909.
11. J. P. Joule (1884), „Matter, Living Force, and Heat“, The Scientific Papers of James Prescott Joule, The Physical Society of London, стр. 274, Посетено на 2 јануари 2013

Надворешни врски

• Топлинска енергија, д-р Емил Заев, Машински факултет, Скопје