その温度のおかげで、熱エネルギーは熱力学的平衡でシステムに存在する内部エネルギーです。熱エネルギーは、熱力学的平衡状態にないシステムからのエネルギーよりも、生産的な仕事に変換するのが困難です。
熱エネルギーは、オブジェクト内の粒子の動きに関連しており、熱の発生につながる可能性があります。調理から再生可能エネルギー源の提供まで、さまざまな用途で熱エネルギーがどのように使用されるか、または使用できるかを学びます。
その結果、熱エネルギーは、粒子の動きの結果として仕事を行うオブジェクトの能力として定義できます。
熱エネルギー
熱エネルギーは、物体の原子または分子が動くときに生成されるエネルギーです。物質の熱エネルギーは、その温度に比例します。これは、物質の構成粒子の平均運動エネルギーの尺度としても知られており、それらの動きを担っています。熱力学は、熱がシステム間でどのように伝達され、その過程でどのように仕事が行われるかを調査する物理学の一分野です。
熱力学第一法則
熱力学の第一法則は、エネルギーの動きと、そのエネルギーがどのように動きを引き起こすかに関係しています。
熱力学的第一法則は、蒸気エンジンなどのシステムに対する圧力、体積、および温度の影響を分析します。数学的関係を適用することで、これらのシステム全体でエネルギーが熱または仕事を達成する能力としてどのように共有されているかを理解できます。
エンジニアが工業化時代を通じて蒸気エンジンの効率を改善するために取り組んだとき、彼らは機械エネルギーを含む多くのエネルギー源の間のこの関係を発見しました.
熱機関は蒸気機関の別名です。提供されたエネルギー (熱) を「仕事」に変換することでピストンを駆動します。この例では機械エネルギーです。熱力学の第一法則は、システムの総エネルギーは変化しないと仮定しています。形を変えるだけです。
熱エネルギーの定義には、この洞察が必要でした。物質内の「分子のランダムな運動」は、その固有エネルギーによって運動を開始し、熱エネルギーを生成します。熱エネルギーは、分子の運動エネルギーの結果としての物質の暖かさまたは冷たさとして定義されます。
熱エネルギー源
機械的エネルギー:機械的エネルギーは、張力の結果としてオブジェクトに保存されるエネルギーです。機械エネルギーは、圧縮されたバネと引き伸ばされた輪ゴムに蓄えられ、熱エネルギーに変換されます。摩擦の結果として放出されるエネルギーは、熱エネルギーの良い例です。
化学エネルギー：原子と分子の間の結合に保持されるエネルギーの量は、化学エネルギーと呼ばれます。電池、バイオ燃料、石油、天然ガス、石炭にはすべて化学エネルギーが含まれています。人間が暖炉で木を燃やしたり、モーター エンジンでガソリンを燃やしたりすると、化学エネルギーが熱エネルギーに変換されます。
太陽エネルギー:最も効率的な熱エネルギー生産者の 1 つです。最も環境にやさしく、一般的に利用しやすい熱エネルギー源です。
化石燃料:何百万年も地表の奥深くに埋もれていた動物や植物の死骸から作られた可燃性化学物質は、化石燃料として知られています。石炭、石油、天然ガス、その他の化石燃料がその例です。
地熱エネルギー：地球から得られるエネルギーは地熱エネルギーとして知られています。地熱エネルギーは、いくつかの例を挙げると、火山、温泉、間欠泉によって放出されます。
質量は熱エネルギーとリンクしています
次のシナリオを考えてみましょう:コップ一杯の水とビーカーの水があり、どちらも同じ温度です。ビーカーの水量はグラスの2倍です。水分子の平均運動エネルギーは、温度が同じであるため、どちらの場合も同じです。
ただし、ビーカー内の水分子の総運動エネルギーは、体積が増加するため、ガラス内の水分子の 2 倍になります。その結果、ビーカーの水はグラスの水の 2 倍の熱エネルギーを持っています。その結果、物体の質量が増加すると、その熱エネルギーも増加します。
熱エネルギー応用
ストーブの加熱要素は熱エネルギーを蓄え、温度が高いほどストーブ内のエネルギーが多くなります。目には見えませんが、分子は動いています。分子の内部熱エネルギーが大きいほど、分子は速く動きます。すぐに熱い要素の上に水の入った容器を置きます。それで、次に何が起こるでしょうか？ストーブからの熱エネルギーは、鍋の中の粒子の動きを速め、最終的には水の動きを速めます。
これらの用語の違いを理解することが重要です。熱とは、この文脈では、あるアイテムまたはシステムから別のアイテムまたはシステムへの熱エネルギーの移動を指し、移動が重要な用語です。粒子の動きの結果として物体またはシステム内に蓄えられるエネルギーは、熱エネルギーとして知られています。
手のひらをストーブの上に置くと、熱を感じることがあります。温度計を水に入れて加熱すると、温度が上昇するのがわかります。内部エネルギーの増加に応じて温度が上昇します。
摩擦による熱エネルギー
でこぼこした床の上を一定の速度で箱を押している男性の状況を考えてみましょう。摩擦力は非保存的であるため、行われた仕事は位置エネルギーとして保存されません。摩擦力の働きにより、エネルギーがボックスフロアシステムの熱エネルギーに変換されます。この熱エネルギーはボックスと床に熱の形で伝達され、温度が上昇します。
抗力による熱エネルギー
オブジェクトが流体内を移動すると、流体に運動量が与えられ、流れが発生します。物体の動きが止まったとしても、流体の動きがまだ残っています。これはしばらくすると消えます。
流体の大規模な動きは、最終的に流体の分子の多数の小さなランダムな動きに再分配されます。これらの動きは、システム内の熱エネルギーの増加を表しています。
熱エネルギー貯蔵
熱エネルギーを輸送および貯蔵できるシステムは、熱エネルギー貯蔵と呼ばれます。この計画は、太陽光や水力などの再生可能エネルギー源と連携して機能する最先端の技術に基づいています。需要の増加に応じて安定した電力供給を維持できるように、貯蔵することができます。
熱を蓄えるための戦略は、「熱エネルギー貯蔵」と呼ばれます。これは、貯蔵システムを連続的に加熱および冷却することによって得られます。電力需要または消費量が少ない期間中、熱エネルギー (冷水または温水) が生成され、熱エネルギー貯蔵タンクに貯蔵された後、ピーク時に除去されて施設に提供されます。
タンクの上部と下部には、温水または冷水をタンクに出入りさせるディフューザーがあります。ディフューザーは乱気流を減らし、タンクの水を層状にし、下部の水を冷やし、上部の水を熱くします。温水ゾーンと冷水ゾーンの間に、水の小さな急激な遷移層が形成されます。
結論
熱エネルギーは、アイテム内の粒子の動きに関連しており、熱が発生する可能性があります。調理から再生可能エネルギー源の提供まで、さまざまな用途で熱エネルギーがどのように使用されているかを学びます。
体の原子や分子が動くときに生成されるエネルギーは、熱エネルギーとして知られています。物質の熱エネルギーはその温度に比例します。これは、物質の構成粒子の平均運動エネルギーとしても知られており、その動きを担っています。
