12 Voorbeelden van thermische energie in het dagelijks leven
Thermische energie is de energie die een voorwerp bezit als gevolg van de bewegingen van deeltjes binnen het voorwerp. Het is de interne kinetische energie van het voorwerp, die afkomstig is van de willekeurige bewegingen van de moleculen en atomen van het voorwerp.
Moleculen en atomen waaruit materie bestaat, bewegen voortdurend, maar wanneer een voorwerp opwarmt, zorgt de stijging van de temperatuur ervoor dat deze deeltjes sneller bewegen en met elkaar in botsing komen. Hoe sneller deze deeltjes bewegen, hoe hoger de thermische energie van het voorwerp.
Ze kan wiskundig worden geschreven als het product van de constante van Boltzmann (kB) en de absolute temperatuur (T).
Thermische energie = kBT
De term “thermische energie” kan ook worden toegepast op de hoeveelheid overgedragen warmte of energie die door warmtestroom wordt meegevoerd.
Thermische energie (of warmte-energie) kan van het ene lichaam op het andere worden overgedragen via drie processen –
- Geleiding: is de meest voorkomende vorm van warmteoverdracht, die plaatsvindt via fysiek contact: De interne energieoverdracht als gevolg van de microscopische botsingen van deeltjes en de beweging van elektronen binnen een lichaam.
- Convectie: is de overdracht van warmte van het ene gebied naar het andere door de beweging van vloeistoffen, zoals vloeistoffen en gassen.
- Straling: is de overdracht van energie in de vorm van deeltjes of golven door de ruimte of een medium. Hoe heter het voorwerp, hoe meer het thermische energie zal uitstralen.
Om dit verschijnsel beter uit te leggen, hebben we enkele van de beste voorbeelden van thermische energie verzameld die je in het dagelijks leven ziet.
Zonne-energie
Type warmteoverdracht: Straling
De zon is een bijna perfecte bol van heet plasma dat waterstof omzet in helium via miljarden chemische reacties, die uiteindelijk een intense hoeveelheid warmte produceren.
In plaats van in de buurt van de zon te blijven, straalt de warmte weg van de ster en de ruimte in. Een klein deel van deze energie (warmte) bereikt de aarde in de vorm van licht. Het gaat meestal om infrarood, zichtbaar en ultraviolet licht. De overdracht van warmte-energie op deze manier wordt thermische straling genoemd.
Een deel van de warmte-energie komt door de atmosfeer van de aarde en bereikt de grond, maar een deel wordt tegengehouden door wolken of wordt weerkaatst door andere objecten. Het zonlicht dat het aardoppervlak bereikt, verwarmt de aarde.
Volgens de Universiteit van Oregon ontvangt de hele aarde gemiddeld 164 watt per vierkante meter gedurende een etmaal. Dit betekent dat de hele planeet 84 Terawatt aan energie ontvangt.
Smeltend ijs
Type warmteoverdracht: Convectie
Warmte-energie stroomt altijd van gebieden met een hogere temperatuur naar gebieden met een lagere temperatuur. Wanneer u bijvoorbeeld ijsblokjes aan uw drankje toevoegt, verplaatst de warmte zich van de vloeistof naar de ijsblokjes.
De temperatuur van de vloeistof daalt wanneer de warmte van het drankje naar het ijs wordt overgedragen. De warmte blijft zich verplaatsen naar de koudste plek in de drank, totdat een evenwicht is bereikt. Door dit warmteverlies daalt de temperatuur van de drank.
Brandstofcellen
Een brandstofcel die waterstof en zuurstof als input neemt
Warmteoverdracht: Afhankelijk van het type brandstofcel
Brandstofcellen zijn elektrochemische apparaten die de chemische energie van een brandstof en een oxidatiegas omzetten in elektrische energie. Wanneer een brandstofcel werkt, wordt een aanzienlijke hoeveelheid input gebruikt om elektrische energie op te wekken, maar het resterende gedeelte wordt omgezet in thermische energie, afhankelijk van het type brandstofcel.
De warmte die tijdens dit proces vrijkomt, wordt benut om de energie-efficiëntie te verhogen. Theoretisch zijn brandstofcellen veel energie-efficiënter dan conventionele processen: als de afvalwarmte in een warmtekrachtkoppelingsschema wordt opgevangen, kunnen rendementen tot 90% worden bereikt.
Geothermische energie
Type warmteoverdracht: Mantle Convection
Geothermische energie is de warmte die in de ondergrond van de Aarde wordt gewonnen. Zij bevindt zich in de vloeistoffen en rotsen onder de aardkorst en kan diep in het hete gesmolten gesteente van de aarde, magma, worden aangetroffen.
Zij wordt geproduceerd door het radioactieve verval van materialen en het voortdurende warmteverlies tijdens de vorming van de planeet. De temperatuur en druk op de grens tussen kern en mantel kunnen oplopen tot meer dan 4000°C en 139 GPa, waardoor sommige gesteenten smelten en de vaste mantel zich plastisch gaat gedragen.
Dit heeft tot gevolg dat delen van de mantel convecteren naar boven (aangezien het gesmolten gesteente lichter is dan het omringende vaste gesteente). Stoom en/of water voeren de geothermische energie naar het oppervlak van de planeet, vanwaar het kan worden gebruikt voor koeling en verwarming, of het kan worden gebruikt om schone elektriciteit te produceren.
Warmte-energie in de oceaan
Type warmteoverdracht: Convectie en geleiding
De oceanen hebben decennialang meer dan 9/10e van de overtollige warmte van de atmosfeer geabsorbeerd, die afkomstig is van de uitstoot van broeikasgassen. Volgens een studie is de oceaan de laatste tien jaar opgewarmd met een snelheid van 0,5 tot 1 watt energie per vierkante meter.
Oceanen hebben een ongelooflijk potentieel om thermische energie op te slaan. Aangezien hun oppervlakken gedurende langere perioden aan direct zonlicht worden blootgesteld, bestaat er een enorm verschil tussen de temperaturen van de ondiepe en de diepe mariene gebieden.
Dit temperatuurverschil kan worden gebruikt om een warmtemotor te laten draaien en elektriciteit op te wekken. Dit type energieconversie, bekend als thermische energieconversie van de oceaan, kan continu werken en kan diverse spin-off industrieën ondersteunen.
Solar Cooker
Type warmteoverdracht: Radiation and Conduction
Een solar cooker is een low-tech, goedkoop apparaat dat de energie van direct zonlicht gebruikt om drank en andere voedingsmiddelen te verwarmen, te koken of te pasteuriseren. Op een zonnige dag kan het een temperatuur bereiken tot 400°C.
Alle zonnekooktoestellen werken volgens drie basisprincipes:
- Concentreer het zonlicht: Het apparaat bevat een spiegelend oppervlak om het licht van de zon te concentreren in een klein kookgedeelte.
- Lichtenergie omzetten in warmte-energie: Wanneer licht op een ontvangermateriaal (kookpan) valt, zet het licht om in warmte, en dit noemen we geleiding.
- Warmte-energie opvangen: Een glazen deksel isoleert de lucht in de pan van de buitenlucht, waardoor convectie (warmteverlies) wordt geminimaliseerd.
Rubbing Your Hand Together
Type warmteoverdracht: Geleiding
Wanneer u uw handen tegen elkaar wrijft, wordt door wrijving mechanische energie omgezet in thermische energie. De mechanische energie verwijst naar de beweging van uw handen.
Omdat wrijving optreedt door de elektromagnetische aantrekkingskracht tussen geladen deeltjes in twee elkaar rakende oppervlakken, leidt het tegen elkaar wrijven van de handen tot de uitwisseling van elektromagnetische energie tussen de moleculen van onze handen. Dit leidt tot de thermische excitatie van moleculen van onze handen, die uiteindelijk energie produceert in de vorm van warmte.
Warmtebron
Type warmteoverdracht: Convectie
Een warmtemotor zet thermische energie om in mechanische energie, die vervolgens kan worden gebruikt om mechanische arbeid te verrichten. De motor haalt de energie uit het warm zijn (ten opzichte van de omgeving) en zet die om in beweging.
Afhankelijk van het type motor worden verschillende processen toegepast, zoals het gebruik van energie uit nucleaire processen om warmte op te wekken (uranium) of het ontsteken van brandstof door verbranding (steenkool of benzine). Bij alle processen is het doel hetzelfde: warmte omzetten in arbeid.
Alledaagse voorbeelden van warmtemotoren zijn een stoomlocomotief, een verbrandingsmotor, en een thermische centrale. Zij worden alle aangedreven door de expansie van verwarmde gassen.
Brandende kaars
Type warmteoverdracht: Conductie, Convectie, Straling
Kaarsen maken licht door warmte te produceren. Ze zetten chemische energie om in warmte. De chemische reactie heet verbranding, waarbij kaarsvet reageert met zuurstof in de lucht en een kleurloos gas genaamd kooldioxide maakt, samen met een kleine hoeveelheid stoom.
De stoom wordt geproduceerd in het blauwe deel van de vlam, waar de was schoon brandt met veel zuurstof. Maar omdat geen enkele was perfect brandt, produceren ze ook een beetje rook (aerosol) in het heldere, gele deel van de vlam.
Door het hele proces absorbeert de pit de was en verbrandt om licht en warmte-energie te produceren.
Elektrische broodroosters
Warmteoverdrachtswijze: Thermische straling
Een elektrisch broodrooster neemt elektrische energie op en zet deze zeer efficiënt om in warmte. Het bestaat uit rijen dunne draden (filamenten) die ver genoeg uit elkaar liggen om het hele broodoppervlak te roosteren.
Wanneer elektriciteit door de draad stroomt, wordt energie overgedragen van het ene uiteinde naar het andere. Deze energie wordt overgebracht door elektronen. Tijdens dit proces botsen de elektronen met elkaar en met de atomen in de metaaldraad, waarbij zij warmte afgeven. Hoe groter de elektrische stroom en hoe dunner de draad, hoe meer botsingen er plaatsvinden en hoe meer warmte er wordt geproduceerd.
Moderne verwarmingssystemen voor thuis
Type warmteoverdracht: Convectie
Twee veel voorkomende soorten verwarmingssystemen die in gebouwen worden geïnstalleerd, zijn warmelucht- en warmwaterverwarmingssystemen. Bij de eerste wordt thermische energie gebruikt om lucht te verwarmen, die vervolgens door een systeem van kanalen en registers wordt gecirculeerd. De warme lucht stroomt uit de kanalen en circuleert door de kamers, waarbij koude lucht uit de weg wordt geduwd.
Het tweede systeem daarentegen gebruikt thermische energie om water te verwarmen en pompt dit vervolgens door het hele gebouw in een systeem van pijpen en radiatoren. De hete radiator straalt thermische energie uit naar de omringende lucht. De warme lucht verplaatst zich dan door de kamers in convectiestromen.
Lees: 10 Beste Voorbeelden Van Kinetische Energie
CPU’s en Andere Elektrische Componenten
Een ventilatorgekoeld koellichaam op de processor
Type warmteoverdracht: Convectie en geleiding
CPU, GPU en systeem op een chip geven energie af in de vorm van warmte als gevolg van de weerstand in elektronische circuits. GPU’s in laptops/desktops verbruiken en dissiperen aanzienlijk meer energie dan mobiele processoren door hun hogere complexiteit en snelheid.
Lees: 14 Beste voorbeelden van convectie met eenvoudige uitleg
Verschillende soorten koelsystemen worden gebruikt om microprocessoren op optimale temperaturen te houden. Een conventioneel CPU-koelsysteem voor desktopcomputers, bijvoorbeeld, is ontworpen om tot 90 watt warmte af te voeren zonder de maximale junctietemperatuur voor de CPU van de desktop te overschrijden.