12 Esimerkkejä lämpöenergiasta jokapäiväisessä elämässä
Lämpöenergialla tarkoitetaan energiaa, joka esineellä on hallussaan esineen sisällä olevien hiukkasten liikkeistä johtuen. Se on esineen sisäistä liike-energiaa, joka on peräisin esineen molekyylien ja atomien satunnaisista liikkeistä.
Aineesta koostuvat molekyylit ja atomit liikkuvat koko ajan, mutta kun esine lämpenee, lämpötilan nousu saa nämä hiukkaset liikkumaan nopeammin ja törmäämään toisiinsa. Mitä nopeammin nämä hiukkaset liikkuvat, sitä suurempi on kappaleen lämpöenergia.
Se voidaan kirjoittaa matemaattisesti Boltzmannin vakion (kB) ja absoluuttisen lämpötilan (T) tulona.
Lämpöenergia = kBT
Lämpöenergiasta voidaan käyttää myös termiä ”lämpöenergia”, joka tarkoittaa lämpövirran siirtämää lämpömäärää tai kuljettamaa energiaa.
Lämpöenergiaa (tai lämpöenergiaa) voidaan siirtää kappaleesta toiseen kolmen prosessin avulla –
- Johtuminen: on yleisin lämmönsiirtomuoto, joka tapahtuu fyysisen kosketuksen kautta: Sisäinen energiansiirto, joka johtuu hiukkasten mikroskooppisista törmäyksistä ja elektronien liikkeestä kappaleen sisällä.
- Konvektio: on lämmön siirtymistä alueelta toiselle nesteiden, kuten nesteiden ja kaasujen, liikkeen avulla.
- Säteily: on energian siirtymistä hiukkasten tai aaltojen muodossa avaruuden tai väliaineen läpi. Mitä kuumempi kohde on, sitä enemmän se säteilee lämpöenergiaa.
Tämän ilmiön paremmaksi selittämiseksi olemme keränneet joitakin parhaita esimerkkejä lämpöenergiasta, joita näet jokapäiväisessä elämässä.
Aurinkoenergia
Lämmönsiirron tyyppi: Säteily
Aurinko on lähes täydellinen kuuman plasman pallo, joka muuntaa vetyä heliumiksi miljardien kemiallisten reaktioiden avulla, jotka lopulta tuottavat voimakkaan määrän lämpöä.
Lämpö ei pysy Auringon lähellä, vaan se säteilee pois tähdestä avaruuteen. Pieni osa tästä energiasta (lämmöstä) saavuttaa maapallon valon muodossa. Se sisältää enimmäkseen infrapuna-, näkyvää ja ultraviolettivaloa. Lämpöenergian siirtymistä tällä tavoin kutsutaan lämpösäteilyksi.
Vaikka osa lämpöenergiasta pääsee Maan ilmakehän läpi ja saavuttaa maanpinnan, osa siitä estyy pilviin tai heijastuu muista kohteista. Auringonvalo, joka kuitenkin saavuttaa maapallon pinnan, lämmittää sitä.
Oregonin yliopiston mukaan koko maapallo saa 24 tunnin vuorokauden aikana säteilyä keskimäärin 164 wattia neliömetriä kohti. Tämä tarkoittaa, että koko planeetta saa 84 terawattia energiaa.
Jään sulaminen
Lämmönsiirron tyyppi: Konvektio
Lämpöenergia virtaa aina korkeamman lämpötilan alueilta matalamman lämpötilan alueille. Kun esimerkiksi lisäät juomaan jääpaloja, lämpö siirtyy nesteestä jääpaloihin.
Nesteen lämpötila laskee, kun lämpö siirtyy juomasta jäähän. Lämpö jatkaa siirtymistään juoman kylmimpään kohtaan, kunnes saavutetaan tasapainotila. Tämä lämmönhukka aiheuttaa juoman lämpötilan putoamisen.
Polttokennot
Polttokenno, joka ottaa syötteenä vetyä ja happea
Lämmönsiirto: Riippuu polttokennotyypistä
Polttokennot ovat sähkökemiallisia laitteita, jotka muuttavat polttoaineen ja hapettavan kaasun kemiallisen energian sähköenergiaksi. Kun polttokenno toimii, merkittävä osa panoksesta käytetään sähköenergian tuottamiseen, mutta loppuosa muutetaan lämpöenergiaksi polttokennotyypistä riippuen.
Tässä prosessissa syntyvä lämpö valjastetaan energiatehokkuuden parantamiseksi. Teoriassa polttokennot ovat paljon energiatehokkaampia kuin perinteiset prosessit: jos hukkalämpö otetaan talteen yhteistuotannossa, voidaan saavuttaa jopa 90 %:n hyötysuhde.
Geoterminen energia
Lämmönsiirron tyyppi: Mantelin konvektio
Geoterminen energia on maapallon maanpinnan alla syntyvää lämpöä. Sitä on maankuoren alla olevissa nesteissä ja kivissä, ja sitä on syvällä maan kuuman sulan kiven, magman, alla.
Se syntyy materiaalien radioaktiivisesta hajoamisesta ja planeetan muodostumisen yhteydessä tapahtuvasta jatkuvasta lämpöhäviöstä. Lämpötila ja paine ytimen ja vaipan rajalla voivat nousta yli 4000 °C:n ja 139 GPa:n, jolloin osa kivistä sulaa ja kiinteä vaippa käyttäytyy plastisesti.
Tämän seurauksena osa vaipasta konvektoi ylöspäin (koska sulanut kivi on kevyempää kuin ympäröivä kiinteä kivi). Höyry ja/tai vesi kuljettavat geotermisen energian planeetan pinnalle, josta se voidaan hyödyntää jäähdytys- ja lämmitystarkoituksiin tai valjastaa tuottamaan puhdasta sähköä.
Lämpöenergiaa valtameressä
Lämmönsiirtotyyppi: Konvektio ja johtuminen
Vuosikymmenien ajan valtameret ovat imeneet yli 9/10 kasvihuonekaasupäästöjen aiheuttamasta ilmakehän ylimääräisestä lämmöstä. Erään tutkimuksen mukaan valtameret ovat lämmenneet 0,5-1 watin verran energiaa neliömetriä kohden viimeisten kymmenen vuoden aikana.
Merillä on uskomaton potentiaali lämpöenergian varastoimiseen. Koska niiden pinnat ovat pitkään alttiina suoralle auringonvalolle, matalien ja syvien merialueiden lämpötilojen välillä on valtava ero.
Tätä lämpötilaeroa voidaan käyttää lämpövoimakoneen käyttämiseen ja sähkön tuottamiseen. Tämäntyyppinen energian muuntaminen, joka tunnetaan nimellä valtamerten lämpöenergian muuntaminen, voi toimia jatkuvasti ja tukea erilaisia sivutoimialoja.
Aurinkokeitin
Lämmönsiirron tyyppi: Säteily ja johtuminen
Aurinkokeitin on matalan teknologian edullinen laite, joka käyttää suoran auringonvalon energiaa juoman ja muiden ruoka-aineiden lämmittämiseen, keittämiseen tai pastörointiin. Aurinkoisena päivänä sillä voidaan saavuttaa jopa 400 °C:n lämpötila.
Kaikki aurinkokeittimet toimivat kolmella perusperiaatteella:
- Keskitä auringonvalo: Laitteessa on peilipinta, joka keskittää auringon valon pienelle keittoalueelle.
- Muunna valoenergia lämpöenergiaksi: Kun valo osuu vastaanottavaan materiaaliin (keittoastiaan), se muuttaa valon lämmöksi, ja tätä kutsutaan johtumiseksi.
- Sieppaa lämpöenergiaa: Lasikansi eristää keittimen sisällä olevan ilman ulkoilmasta, mikä minimoi konvektiota (lämpöhäviötä).
Käsien hierominen yhteen
Lämmönsiirron tyyppi: Johtuminen
Kun hierot käsiäsi yhteen, kitka muuttaa mekaanisen energian lämpöenergiaksi. Mekaanisella energialla tarkoitetaan käsien liikettä.
Koska kitka syntyy kahden toisiaan koskettavan pinnan varattujen hiukkasten välisen sähkömagneettisen vetovoiman vuoksi, käsien hankaaminen toisiinsa johtaa sähkömagneettisen energian vaihtoon käsien molekyylien välillä. Tämä johtaa käsien molekyylien lämpöherätteeseen, joka lopulta tuottaa energiaa lämmön muodossa.
Lämpövoimakone
Lämmönsiirron tyyppi: Konvektio
Lämpövoimakone muuntaa lämpöenergian mekaaniseksi energiaksi, jolla voidaan tehdä mekaanista työtä. Moottori ottaa lämpöenergian (verrattuna ympäristöön) ja muuttaa sen liikkeeksi.
Moottorityypistä riippuen käytetään erilaisia prosesseja, kuten ydinvoiman energian käyttämistä lämmön tuottamiseen (uraani) tai polttoaineen sytyttämistä polttamalla (hiili tai bensiini). Kaikissa prosesseissa tavoite on sama: lämmön muuttaminen työksi.
Käytännön esimerkkejä lämpövoimakoneista ovat höyryveturi, polttomoottori ja lämpövoimala. Niiden kaikkien voimanlähteenä on kuumennettujen kaasujen laajeneminen.
Palava kynttilä
Lämmönsiirron tyyppi: Johtuminen, konvektio, säteily
Kynttilät tuottavat valoa tuottamalla lämpöä. Ne muuttavat kemiallisen energian lämmöksi. Kemiallinen reaktio on nimeltään palaminen, jossa kynttilän vaha reagoi ilmassa olevan hapen kanssa ja tuottaa väritöntä kaasua nimeltä hiilidioksidi sekä pienen määrän höyryä.
Höyryä syntyy liekin sinisessä osassa, jossa vaha palaa puhtaasti runsaan hapen kanssa. Mutta koska yksikään vaha ei pala täydellisesti, ne tuottavat myös hieman savua (aerosolia) liekin kirkkaaseen, keltaiseen osaan.
Kautta prosessin sydänlanka imee itseensä vahaa ja palaa tuottaen valoa ja lämpöenergiaa.
Sähköiset leivänpaahtimet
Lämmönsiirron tyyppi: Lämpösäteily
Sähköleivänpaahdin ottaa vastaan sähköenergiaa ja muuttaa sen lämmöksi erittäin tehokkaasti. Se koostuu riveistä ohuita johtoja (säikeitä), jotka ovat tarpeeksi kaukana toisistaan paahtaakseen koko leivän pinnan.
Kun sähkö virtaa johtojen läpi, energia siirtyy päästä toiseen. Tätä energiaa kuljettavat elektronit. Koko prosessin ajan elektronit törmäävät toisiinsa ja metallilangan atomeihin, jolloin syntyy lämpöä. Mitä suurempi on sähkövirta ja mitä ohuempi lanka, sitä enemmän törmäyksiä tapahtuu ja sitä enemmän lämpöä syntyy.
Nykyaikaiset kodin lämmitysjärjestelmät
Lämmönsiirron tyyppi: Konvektio
Kaksi yleistä rakennuksiin asennettua lämmitysjärjestelmätyyppiä ovat lämminilma- ja lämminvesilämmitysjärjestelmät. Ensimmäisessä käytetään lämpöenergiaa ilman lämmittämiseen ja kierrätetään se sitten kanavista ja rekistereistä koostuvan järjestelmän kautta. Lämmin ilma puhaltaa ulos kanavista ja kiertää huoneissa työntäen kylmää ilmaa pois tieltä.
Toisessa taas käytetään lämpöenergiaa veden lämmittämiseen ja pumpataan sitä sitten koko rakennukseen putkisto- ja patterijärjestelmässä. Kuuma patteri säteilee lämpöenergiaa ympäröivään ilmaan. Lämmin ilma liikkuu sitten huoneiden läpi konvektiovirtauksina.
Lue: 10 parasta esimerkkiä liike-energiasta
CPU:t ja muut sähköiset komponentit
Tuuletinjäähdytteinen jäähdytyselementti prosessorissa
Lämmönsiirron tyyppi: Konvektio ja johtuminen
CPU, näytönohjain ja järjestelmä piirillä hukkaavat energiaa lämmön muodossa elektronisten piirien vastuksen vuoksi. Kannettavien tietokoneiden/pöytäkoneiden näytönohjaimet kuluttavat ja hukkaavat huomattavasti enemmän energiaa kuin mobiiliprosessorit niiden suuremman monimutkaisuuden ja nopeuden vuoksi.
Lue: 14 parasta esimerkkiä konvektiosta yksinkertaisella selityksellä
Mikroprosessorien pitämiseksi optimaalisissa lämpötiloissa käytetään erilaisia jäähdytysjärjestelmiä. Esimerkiksi perinteinen työpöydän suorittimen jäähdytysjärjestelmä on suunniteltu haihduttamaan jopa 90 wattia lämpöä ylittämättä työpöydän suorittimen maksimiliitoslämpötilaa.