Тепловая энергия - Thermal energy

Тепловое излучение в видимом свете можно увидеть на этих горячих металлоконструкциях.

Тепловая энергия относится к нескольким различным физическим концепциям, таким как внутренняя энергия системы; высокая температура или же явное тепло, которые определяются как типы передачи энергии (как и работай ); или для характеристическая энергия степени свободы в тепловой системе ${\displaystyle kT}$, куда ${\displaystyle T}$ является температура и ${\displaystyle k}$ это Постоянная Больцмана.

Отношение к теплу и внутренней энергии

В термодинамика, высокая температура является энергия при передаче в термодинамическую систему или из нее с помощью иных механизмов, кроме термодинамическая работа или передача материи.^[1][2][3] Тепло относится к количеству, передаваемому между системами, а не к свойству какой-либо одной системы или «содержащемуся» в ней.^[4] С другой стороны, внутренняя энергия - это свойство единой системы. Тепло и работа зависят от способа передачи энергии, а внутренняя энергия - это свойство состояния системы и, таким образом, его можно понять, не зная, как туда попала энергия.

В статистическом механическом учете идеальный газ, 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 эффектом передачи тепла через границу системы. Для газа, который не взаимодействует с частицами, за исключением мгновенных столкновений, термин «тепловая энергия» фактически является синонимом «внутренняя энергия '. Во многих статистическая физика тексты, "тепловая энергия" относится к ${\displaystyle kT}$, продукт Постоянная Больцмана и абсолютная температура, также записывается как ${\displaystyle k_{\text{B}}T}$.^[5] 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 большой вклад во внутреннюю энергию тела, но проявляются не только в температуре.

Термин «тепловая энергия» также применяется к энергии, переносимой тепловым потоком,^[6] хотя это также можно просто назвать теплом или количеством тепла.

Исторический контекст

В лекции 1847 года под названием «О материи, живой силе и тепле» Джеймс Прескотт Джоуль охарактеризованы различные термины, тесно связанные с тепловой энергией и теплом. Он определил условия скрытая теплота и явное тепло как формы тепла, каждая из которых влияет на различные физические явления, а именно на потенциальную и кинетическую энергию частиц, соответственно.^[7] Он описал скрытую энергию как энергию взаимодействия в данной конфигурации частиц, т.е. потенциальная энергия, и явное тепло как энергия, влияющая на температуру, измеряемую термометром, благодаря тепловой энергии, которую он назвал живой силой.

Бесполезная тепловая энергия

Если минимальная температура окружающей среды системы составляет ${\displaystyle T_{\text{e}}}$ а энтропия системы равна ${\displaystyle S}$, то часть внутренней энергии системы в размере ${\displaystyle S\cdot T_{\text{e}}}$ не может быть превращен в полезную работу. В этом разница между внутренней энергией и Свободная энергия Гельмгольца.

Смотрите также

• Теплопередача
• Преобразование тепловой энергии океана
• По порядку величины (температура)
• Хранение тепловой энергии
• Тепловая наука

Рекомендации

1. Байлын, М. (1994). Обзор термодинамики, Американский институт физики Press, Нью-Йорк, ISBN  0-88318-797-3, п. 82.
2. Родился М. (1949). Естественная философия причины и случая, Oxford University Press, Лондон, стр. 31.
3. Томас В. Лиланд-младший, Дж. А. Мансури (редактор), Основные принципы классической и статистической термодинамики (PDF)
4. Роберт Ф. Шпейер (2012). Термический анализ материалов. Материаловедение. Marcel Dekker, Inc. стр. 2. ISBN  0-8247-8963-6.
5. • Райхл, Линда Э. (2016). Современный курс статистической физики. Джон Уайли и сыновья. п. 154. ISBN  9783527690466.
   • Кардар, Мехран (2007). Статистическая физика частиц. Издательство Кембриджского университета. п. 243. ISBN  9781139464871.
   • Фейнман, Ричард П. (2000). «Вычислительные машины будущего». Избранные статьи Ричарда Фейнмана: с комментариями. Всемирный научный. ISBN  9789810241315.
   • Фейнман, Ричард П. (2018). Статистическая механика: цикл лекций. CRC Press. п. 265. ISBN  9780429972669.
   • Киттель, Чарльз (2012). Элементарная статистическая физика. Курьерская Корпорация. п. 60. ISBN  9780486138909.
6. Эшкрофт, Нил; Мермин, Н. Давид (1976). Физика твердого тела. Harcourt. п. 20. ISBN  0-03-083993-9. Определим плотность теплового тока ${\displaystyle {\bf {j}}^{q}}$ быть вектором, параллельным направлению теплового потока, величина которого дает тепловую энергию в единицу времени, пересекающую единицу площади, перпендикулярной потоку.
7. Дж. П. Джоуль (1884 г.), «Материя, живая сила и тепло», Научные статьи Джеймса Прескотта Джоуля, Лондонское физическое общество, стр. 274, получено 2 января 2013, Я склонен полагать, что обе эти гипотезы подтвердятся, - что в некоторых случаях, особенно в случае разумный тепло, или такое, на которое указывает термометр, будет обнаружено, что тепло состоит в живой силе частиц тел, в которых оно индуцируется; в то время как в других, особенно в случае скрытый При нагревании явления возникают в результате отделения частицы от частицы, чтобы заставить их притягиваться друг к другу через большее пространство.