energia cieplna
Energia cieplna – jest to część energii wewnętrznej układu termodynamicznego w stanie równowagi i jest proporcjonalna do temperatury bezwzględnej tego układu. Energia ta zwiększa się lub zmniejsza poprzez przekazywanie energii, co następuje zwykle poprzez ciepło lub pracę. Pojęcie energii cieplnej nie jest jednoznacznie zdefiniowane w termodynamice. Jednakże jedna z innych definicja energii cieplnej odnosi się do teorii kinetycznej i wskazuje, że jest to suma średniej energii kinetycznej występującej w wyniku przypadkowych ruchów atomów i cząsteczek lub pobudzenia termicznego, które nie jest trwałe.
Ogólne informacje o energii cieplnej
Termin energii został opracowany w 1807 przez Thomasa Younga i niespełna 50 lat później Lord Kelvin zaproponował użycie tego terminu w termodynamice. W drugiej połowie XIX wieku termin energii wewnętrznej pojawił się w pracach najlepszych uczonych tego okresu. A pojęcia odnoszące się do pracy i energii wewnętrznej zostały zamienione przez Jamesa Prescotta Joulea na definicje ciepła utajonego i ciepła jawnego.
Energia cieplna reprezentuje całkowitą energię wewnętrzną obiektu, tj. sumę jego potencjału i kinetycznych energii cząsteczkowych. Kiedy stykają się dwa obiekty o różnych temperaturach, energia jest przenoszona z jednego do drugiego. Na przykład, jeśli rozżarzone ciała zostaną wrzucone do zbiornika z wodą, energia cieplna będzie przenoszona z tych ciał do wody, aż zarówno woda jak i wszystkie ciała wrzucone do wody osiągną stabilny stan zwany równowagą termiczną.
W termodynamice energia cieplna, znana również jako energia wewnętrzna układu, to suma energii kinetycznych wszystkich jego cząstek składowych oraz suma wszystkich potencjalnych energii wchodzących w interakcję między nimi. Zarówno energia kinetyczna jak i potencjał są formami energii w skali mikroskopowej (mikro), co oznacza, że są związane ze strukturą cząsteczkową układu i stopniem aktywności cząsteczek oraz są niezależne od zewnętrznych układów odniesienia. Stąd ważne jest, że energia wewnętrzna nie obejmuje energii potencjalnej przez interakcję systemu z otoczeniem (tj. z energią nabytą w skali makroskopowej – skali makro, czyli nabytej np. ze względu na odbywający się zewnętrzny ruch).
W teorii atomowej energia cieplna reprezentowana jest przez energię kinetyczną szybko poruszających się cząsteczek. A wzrostowi temperatury odpowiada wzrost średniej energii kinetycznej cząsteczek. Energia cieplna w tym przypadku reprezentuje energię atomów i cząsteczek tworzących obiekt i w związku z tym nazywana jest energią wewnętrzną. Z tego punktu widzenia energia wewnętrzna może obejmować nie tylko energię kinetyczną cząsteczek, ale także energię potencjalną (co wynika ze względnego położenia atomów w cząsteczkach).
Podczas zmiany stanu systemu energia wewnętrzna może zmienić się od wartości początkowej wartości końcowej. Po dodaniu określonej ilości ciepła do tego układu podczas gdy układ nie wykonuje żadnej pracy to energia wewnętrzna systemu wzrasta o wartość równą ciepłu. Natomiast w czasie wykonywania pracy przez układ, wartość pracy rozprasza się do otoczenia. A jeżeli w trakcie tej pracy nie jest dodawane żadne ciepło to energia opuszcza system i spada energia wewnętrzna systemu.
Termodynamiczne podejście do energii cieplnej
W termodynamicznym podejściu do energii rozważa się dwie grupy różnych form energii, które składają się na całkowitą energię układu, tj. energię w opisie makro (energia makroskopową) i mikro (energię mikroskopową). Makroskopowe formy energii to takie, które pewien układ traktuje jako całość w odniesieniu do pewnego zewnętrznego układu odniesienia, takiego jak energia potencjalna i kinetyczna. Natomiast mikroskopijne formy energii to takie, które odnoszą się do struktury cząsteczkowej układu i stopnia aktywności cząsteczek i są niezależne od zewnętrznych układów odniesienia. Suma wszystkich mikroskopijnych form energii nazywana jest energią wewnętrzną układu.
W układzie na poziomie mikroskopowym cząsteczki gazu poruszają się w przestrzeni z określoną prędkością charakteryzując się pewną energię kinetyczną (energia translacyjna). Atomy cząsteczek wieloatomowych obracają się wokół osi, a energia związana z tym obrotem jest energią kinetyczną obrotu. Atomy te mogą wibrować w odniesieniu do ich wspólnego środka masy, więc energia tego ruchu stanowi wibrującą energią kinetyczną. W przypadku gazów energia kinetyczna wynika przed wszystkim z ruchów obrotowych, w których ruch wibracyjny staje się znaczący dopiero w wysokich temperaturach.
Elektrony w atomie krążą wokół jądra charakteryzując się obrotową energię kinetyczną. Przy czym elektrony na orbitach zewnętrznych mają wyższe energie kinetyczne. Cząstki te obracają się wokół swoich osi i dlatego energia związana z tym ruchem jest energią spinu. Zaznaczyć należy, że energia wewnętrzna jest związana z różnymi siłami wiązania między cząsteczkami substancji, między atomami w cząsteczce oraz między cząstkami w atomie i jego jądrem. Siły wiążące ze sobą cząsteczki są silniejsze w ciałach stałych, natomiast słabsze w gazach. Energia wewnętrzna związana z wiązaniami atomowymi w cząsteczce nazywana jest energią chemiczną. Podczas reakcji chemicznej niektóre wiązania chemiczne ulegają zniszczeniu, a inne w tym czasie powstają powodując tym samym zmianę energii wewnętrznej. Siły jądrowe są znacznie większe niż te, które wiążą elektrony z jądrem. Ta ogromna ilość energii związana z silnymi wiązaniami w jądrze atomu nazywana jest z kolei energią jądrową.
Rozróżnienie między temperaturą, ciepłem, makroskopową energią kinetyczną i energią wewnętrzną
Zgodnie z teoria kinetyczną wymienić można w sposób precyzyjny różnice pomiędzy temperaturą, energią cieplną i energią wewnętrzną. Mianowicie temperatura jest miarą średniej energii kinetycznej poszczególnych cząsteczek. Natomiast energia wewnętrzna odnosi się do całkowitej energii cząsteczek w obiekcie. Zatem dwie gorące porcje płynu o równej masie mogą mieć tę samą temperaturę, ale łącznie mają dwukrotnie większą energię wewnętrzną niż każda porcja osobno. Energia cieplna odnosi się do przenoszenia energii z jednego obiektu do drugiego w wyniku różnicy temperatur. Kierunek przepływu ciepła między dwoma obiektami zależy od ich temperatury, ale już nie od ilości energii. W ten sposób na przykład podczas zmieszania 100 g wody o temperaturze 50 °C z 500 g wody o temperaturze 15 °C ciepło przepłynie z wody o temperaturze 50 °C do wody o niższej temperaturze. Dzieje się tak pomimo tego, że energia wewnętrzna wody o niższej temperaturze jest znacznie wyższa ze względu na jej przewagę wielkości.
W mikroskali energię wewnętrzną obiektu należy rozpatrywać poprzez energię kinetyczną jego cząsteczek. Energia kinetyczna obiektu jest uporządkowaną formą energii związaną z uporządkowanym ruchem cząsteczek w kierunku prostej lub wokół osi. Zamiast tego energia kinetyczna cząsteczek jest całkowicie przypadkowa i nieuporządkowana (stanowi to energię wewnętrzną obiektu).
Przekazywanie energii cieplnej
Podstawowe mechanizmy przekazywania energii cieplnej stanowią przewodnictwo, konwekcja i promieniowanie. Przewodnictwo oznacza przekazywanie energii w postaci ciepła z jednej części ciała do drugiej w przypadku tego samego ciała lub z jednego obiektu do drugiego będących we wspólnym kontakcie fizycznym (bez istotnego przemieszczania się ciała). Konwekcją jest przenoszenie ciepła z jednego punktu do drugiego w płynie, gazie lub cieczy poprzez mieszanie jednej części płynu z drugą. W zjawisku konwekcji w naturze ruch (mieszanie) płynu jest spowodowany przede wszystkim różnicami gęstości będącej wynikiem różnic temperatur. Natomiast w konwekcji wymuszonej ruch odbywa się za pomocą sił mechanicznych. W przypadku wymuszenia stosunkowo niskiej prędkości czynniki konwekcji, takie jak różnice temperatury i gęstości mogą mieć jednak znaczący wpływ. A promieniowaniem określa się przenoszenie energii cieplnej z jednego ciała do drugiego (bez fizycznego kontaktu), które odbywa się poprzez ruch fal w przestrzeni.
Wszystkie te mechanizmy przekazywania energii cieplnej charakteryzuje szybkość chłodzenia ciała będąca w przybliżeniu proporcjonalną wartością do różnicy temperatur między ciałem a otaczającym go środowiskiem. Ten fakt jest znany jako prawo chłodzenia Newtona. W rzeczywistości w wielu sytuacjach wszystkie trzy mechanizmy przekazywania energii cieplnej występują jednocześnie, chociaż niektóre z nich mogą przeważać nad innymi.
