12 příkladů tepelné energie v každodenním životě
Tepelná energie označuje energii, kterou má objekt v důsledku pohybu částic uvnitř objektu. Je to vnitřní kinetická energie objektu, která pochází z náhodných pohybů molekul a atomů objektu.
Ačkoli se molekuly a atomy, které tvoří hmotu, pohybují neustále, když se objekt zahřívá, zvýšení teploty způsobuje, že se tyto částice pohybují rychleji a vzájemně se srážejí. Čím rychleji se tyto částice pohybují, tím vyšší je tepelná energie objektu.
Matematicky ji lze zapsat jako součin Boltzmannovy konstanty (kB) a absolutní teploty (T).
Tepelná energie = kBT
Termín „tepelná energie“ lze také použít pro množství přeneseného tepla nebo energie přenášené tepelným tokem.
Tepelnou energii (neboli teplo) lze přenášet z jednoho tělesa na druhé třemi procesy –
- Vedení: je nejběžnější formou přenosu tepla, ke kterému dochází fyzickým kontaktem: Přenos vnitřní energie v důsledku mikroskopických srážek částic a pohybu elektronů uvnitř tělesa.
- Konvekce: je přenos tepla z jedné oblasti do druhé pohybem kapalin, například kapalin a plynů.
- Sálání: je přenos energie ve formě částic nebo vln prostorem nebo prostředím. Čím je objekt teplejší, tím více vyzařuje tepelnou energii.
Pro lepší vysvětlení tohoto jevu jsme shromáždili několik nejlepších příkladů tepelné energie, se kterými se můžete setkat v každodenním životě.
Solární energie
Typ přenosu tepla:
Slunce je téměř dokonalá koule horké plazmy, která přeměňuje vodík na helium prostřednictvím miliard chemických reakcí, při nichž nakonec vzniká intenzivní množství tepla.
Místo toho, aby teplo zůstávalo v blízkosti Slunce, vyzařuje se od hvězdy do vesmíru. Malá část této energie (tepla) se dostane na Zemi ve formě světla. Většinou se jedná o infračervené, viditelné a ultrafialové světlo. Přenos tepelné energie tímto způsobem se nazývá tepelné záření.
Přestože část tepelné energie projde zemskou atmosférou a dostane se na zem, část je blokována mraky nebo se odráží od jiných objektů. Sluneční záření, které se dostane na povrch Země, ji ohřívá.
Podle údajů Oregonské univerzity přijme celá Země za 24 hodin dne v průměru 164 wattů na metr čtvereční. To znamená, že celá planeta dostává 84 terawattů energie.
Tání ledu
Typ přenosu tepla: Konvekce
Tepelná energie vždy proudí z oblastí s vyšší teplotou do oblastí s nižší teplotou. Například když do nápoje přidáte kostky ledu, teplo přechází z kapaliny na kostky ledu.
Teplota kapaliny klesá, protože teplo přechází z nápoje na led. Teplo se nadále přesouvá do nejchladnějšího místa v nápoji, dokud nedosáhne rovnováhy. Tato ztráta tepla způsobuje prudký pokles teploty nápoje.
Palivové články
Palivový článek, který přijímá na vstupu vodík a kyslík
Přenos tepla: Záleží na typu palivového článku
Palivové články jsou elektrochemická zařízení, která přeměňují chemickou energii paliva a okysličovadla na energii elektrickou. Při provozu palivového článku se značná část příkonu využívá k výrobě elektrické energie, ale zbývající část se v závislosti na typu palivového článku přeměňuje na tepelnou energii.
Teplo vzniklé během tohoto procesu se využívá ke zvýšení energetické účinnosti. Teoreticky jsou palivové články mnohem energeticky účinnější než konvenční procesy: pokud je odpadní teplo zachyceno v kogeneračním schématu, lze dosáhnout účinnosti až 90 %.
Geotermální energie
Typ přenosu tepla: Konvekce v plášti
Geotermální energie je teplo získané v podpovrchových vrstvách Země. Je obsažena v tekutinách a horninách pod zemskou kůrou a lze ji nalézt hluboko v horkých roztavených horninách Země, magmatu.
Vzniká radioaktivním rozpadem materiálů a neustálými tepelnými ztrátami při vzniku planety. Teplota a tlak na hranici jádra a pláště mohou dosahovat více než 4000 °C a 139 GPa, což způsobuje, že se některé horniny taví a pevný plášť se chová plasticky.
Tím dochází ke konvekci částí pláště směrem vzhůru (protože roztavená hornina je lehčí než okolní pevná hornina). Pára a/nebo voda přenáší geotermální energii na povrch planety, odkud ji lze využít pro účely chlazení a vytápění nebo ji lze využít k výrobě čisté elektřiny.
Tepelná energie v oceánu
Typ přenosu tepla: Konvekce a kondukce
Po desetiletí pohlcovaly oceány více než 9/10 přebytečného tepla v atmosféře, které vzniká v důsledku emisí skleníkových plynů. Podle studie se oceán v posledních deseti letech ohříval rychlostí 0,5 až 1 wattu energie na metr čtvereční.
Oceány mají neuvěřitelný potenciál pro ukládání tepelné energie. Vzhledem k tomu, že jejich povrch je dlouhodobě vystaven přímému slunečnímu záření, existuje obrovský rozdíl mezi teplotami mělkých a hlubokých mořských oblastí.
Tento teplotní rozdíl lze využít k pohonu tepelného motoru a výrobě elektřiny. Tento typ přeměny energie, známý jako přeměna tepelné energie oceánu, může pracovat nepřetržitě a může podporovat různá vedlejší průmyslová odvětví.
Solární vařič
Typ přenosu tepla: Sálání a vedení
Solární vařič je technologicky nenáročné a levné zařízení, které využívá energii přímého slunečního záření k ohřevu, vaření nebo pasterizaci nápojů a jiných potravin. Za slunečného dne může dosáhnout teploty až 400 °C.
Všechny solární vařiče fungují na třech základních principech:
- Koncentrují sluneční světlo: Zařízení obsahuje zrcadlový povrch, který soustřeďuje světlo ze Slunce do malé varné plochy.
- Přeměňuje světelnou energii na tepelnou: Když světlo dopadá na materiál přijímače (varnou nádobu), přeměňuje se světlo na teplo, což nazýváme vedením.
- Zachycení tepelné energie: Skleněná poklice izoluje vzduch uvnitř vařiče od vnějšího vzduchu, čímž minimalizuje konvekci (tepelné ztráty).
Tření rukou
Typ přenosu tepla: Při tření rukou o sebe se třením mění mechanická energie na tepelnou. Mechanická energie se týká pohybu rukou.
Protože tření vzniká v důsledku elektromagnetické přitažlivosti mezi nabitými částicemi dvou dotýkajících se povrchů, třením rukou o sebe dochází k výměně elektromagnetické energie mezi molekulami našich rukou. To vede k tepelné excitaci molekul našich rukou, při níž nakonec vzniká energie ve formě tepla.
Tepelný motor
Typ přenosu tepla: Konvekce
Tepelný motor přeměňuje tepelnou energii na mechanickou energii, kterou lze následně využít k vykonání mechanické práce. Motor odebírá energii z tepla (ve srovnání s okolím) a přeměňuje ji na pohyb.
V závislosti na typu motoru se uplatňují různé procesy, například využití energie z jaderných procesů k výrobě tepla (uran) nebo zapálení paliva spalováním (uhlí nebo benzín). Ve všech procesech je cíl stejný: přeměnit teplo na práci.
Každodenními příklady tepelných motorů jsou parní lokomotiva, spalovací motor a tepelná elektrárna. Všechny jsou poháněny expanzí zahřátých plynů.
Hořící svíčka
Typ přenosu tepla: Kondukce, konvekce, sálání
Svíčky vytvářejí světlo produkcí tepla. Přeměňují chemickou energii na teplo. Chemická reakce se nazývá hoření, kdy vosk svíčky reaguje se vzdušným kyslíkem a vytváří bezbarvý plyn s názvem oxid uhličitý spolu s malým množstvím páry.
Pára vzniká v modré části plamene, kde vosk hoří čistě s velkým množstvím kyslíku. Protože však žádný vosk nehoří dokonale, produkují také trochu kouře (aerosolu) v jasné, žluté části plamene.
Při celém procesu knot absorbuje vosk a hoří, čímž vzniká světlo a tepelná energie.
Elektrické topinkovače
Typ přenosu tepla: Tepelné záření
Elektrický topinkovač přijímá elektrickou energii a velmi účinně ji přeměňuje na teplo. Skládá se z řad tenkých drátků (vláken), které jsou od sebe dostatečně vzdáleny, aby opékaly celý povrch chleba.
Při průchodu elektřiny drátkem se energie přenáší z jednoho konce na druhý. Tato energie je přenášena elektrony. Během celého procesu se elektrony srážejí mezi sebou a s atomy v kovovém drátu, čímž se uvolňuje teplo. Čím větší je elektrický proud a čím tenčí je vodič, tím více srážek nastává a tím více tepla vzniká.
Moderní systémy vytápění domů
Typ přenosu tepla: Konvekční
Dva běžné typy topných systémů instalovaných v budovách jsou teplovzdušné a teplovodní topné systémy. První z nich využívá tepelnou energii k ohřevu vzduchu a následně jej cirkuluje systémem potrubí a registrů. Teplý vzduch vyfukuje z potrubí a cirkuluje po místnostech, přičemž vytlačuje studený vzduch.
Proti tomu druhý využívá tepelnou energii k ohřevu vody a poté ji čerpá po celé budově v systému potrubí a radiátorů. Horký radiátor vyzařuje tepelnou energii do okolního vzduchu. Teplý vzduch se pak pohybuje po místnostech v konvekčních proudech.
Přečtěte si: 10 nejlepších příkladů kinetické energie
CPU a další elektrické komponenty
Chlazení chladiče ventilátorem na procesoru
Typ přenosu tepla: Konvekce a kondukce
CPU, GPU a systém na čipu rozptylují energii ve formě tepla v důsledku odporu v elektronických obvodech. GPU v noteboocích/desktopech spotřebovávají a rozptylují podstatně více energie než mobilní procesory kvůli jejich vyšší složitosti a rychlosti.
Přečtěte si: 14 nejlepších příkladů konvekce s jednoduchým vysvětlením
K udržení optimální teploty mikroprocesorů se používají různé typy chladicích systémů. Například běžný systém chlazení procesoru stolního počítače je navržen tak, aby odváděl až 90 wattů tepla, aniž by byla překročena maximální teplota spoje pro procesor stolního počítače.