12 példa a hőenergiára a mindennapi életben
A hőenergia az az energia, amellyel egy tárgy rendelkezik a tárgyban lévő részecskék mozgása miatt. Ez a tárgy belső mozgási energiája, amely a tárgy molekuláinak és atomjainak véletlenszerű mozgásából származik.
Míg az anyagot alkotó molekulák és atomok állandóan mozognak, amikor egy tárgy felmelegszik, a hőmérséklet növekedése miatt ezek a részecskék gyorsabban mozognak és ütköznek egymással. Minél gyorsabban mozognak ezek a részecskék, annál nagyobb a tárgy hőenergiája.
Matematikailag a Boltzmann-állandó (kB) és az abszolút hőmérséklet (T) szorzataként írható fel.
Hőenergia = kBT
A hőenergia kifejezés a hőáram által átadott hőmennyiségre vagy a hőáram által szállított energiára is alkalmazható.
A hőenergia (vagy hőenergia) három folyamaton keresztül adható át egyik testből a másikba –
- Vezetés: A hőátadás leggyakoribb formája, amely fizikai érintkezés útján történik: A belső energia átadása a részecskék mikroszkopikus ütközése és az elektronok mozgása miatt egy testben.
- Konvekció: a hő átadása egyik régióból a másikba folyadékok, például folyadékok és gázok mozgása révén.
- Sugárzás: az energia átadása részecskék vagy hullámok formájában a téren vagy egy közegen keresztül. Minél melegebb egy tárgy, annál több hőenergiát sugároz.
A jelenség jobb magyarázatához összegyűjtöttük a hőenergia néhány legjobb példáját, amelyekkel a mindennapi életben találkozhatunk.
Napenergia
A hőátadás típusa: Sugárzás
A Nap egy majdnem tökéletes forró plazmából álló gömb, amely milliárdnyi kémiai reakció révén hidrogént alakít át héliummá, ami végül hatalmas mennyiségű hőt termel.
Ahelyett, hogy a Nap közelében maradna, a hő a csillagtól távolabbra, az űrbe sugárzik. Ennek az energiának (hőnek) egy kis része fény formájában eléri a Földet. Ez leginkább infravörös, látható és ultraibolya fényt tartalmaz. A hőenergia ilyen módon történő átadását hősugárzásnak nevezzük.
Míg a hőenergia egy része átjut a Föld légkörén és eléri a földet, egy részét a felhők elzárják, vagy más tárgyakról visszaverődik. A Föld felszínét elérő napfény felmelegíti azt.
Az Oregoni Egyetem adatai szerint az egész Földre egy 24 órás nap alatt átlagosan 164 watt jut négyzetméterenként. Ez azt jelenti, hogy az egész bolygó 84 terawattnyi energiát kap.
Jég olvadása
A hőátadás típusa: Konvekció
A hőenergia mindig a magasabb hőmérsékletű régiókból áramlik az alacsonyabb hőmérsékletű régiókba. Amikor például jégkockákat adunk az italunkhoz, a hő a folyadékból a jégkockákba áramlik át.
A folyadék hőmérséklete csökken, ahogy a hő az italból a jégbe kerül. A hő tovább mozog az ital leghidegebb területére, amíg el nem éri az egyensúlyi állapotot. Ez a hőveszteség az ital hőmérsékletének zuhanását okozza.
Tüzelőanyag-cella
Egy üzemanyagcella, amely hidrogént és oxigént vesz fel bemenetként
Hőátadás: Az üzemanyagcella típusától függ
Az üzemanyagcellák olyan elektrokémiai eszközök, amelyek az üzemanyag és az oxidáló gáz kémiai energiáját elektromos energiává alakítják. Az üzemanyagcella működése során a bemenő energia jelentős részét elektromos energia előállítására használják fel, de a fennmaradó rész az üzemanyagcella típusától függően hőenergiává alakul át.
A folyamat során keletkező hőt az energiahatékonyság növelése érdekében hasznosítják. Elméletileg az üzemanyagcellák sokkal energiahatékonyabbak, mint a hagyományos eljárások: ha a hulladékhőt egy kapcsolt energiatermelési rendszerben hasznosítják, akár 90%-os hatásfok is elérhető.
Geotermikus energia
A hőátadás típusa: Köpeny-konvekció
A geotermikus energia a Föld felszíne alatt keletkező hő. A földkéreg alatti folyadékok és kőzetek tartalmazzák, és mélyen a Föld forró, olvadt kőzetében, a magmában található.
Az anyagok radioaktív bomlásából és a bolygó kialakulásának folyamatos hőveszteségéből keletkezik. A mag és a köpeny határán a hőmérséklet és a nyomás elérheti a 4000°C-ot és a 139 GPa-t is, ami egyes kőzetek megolvadását és a szilárd köpeny plasztikus viselkedését eredményezi.
Ez azt eredményezi, hogy a köpeny egyes részei felfelé konvektálnak (mivel az olvadt kőzet könnyebb, mint a környező szilárd kőzet). A geotermikus energiát gőz és/vagy víz szállítja a bolygó felszínére, ahonnan hűtési és fűtési célokra hasznosítható, vagy tiszta villamos energia előállítására hasznosítható.
Hőenergia az óceánban
A hőátadás típusa: Konvekció és vezetés
Az óceánok évtizedek óta elnyelik az üvegházhatású gázok kibocsátásából származó légköri hőtöbblet több mint 9/10-ét. Egy tanulmány szerint az óceánok az elmúlt tíz évben négyzetméterenként 0,5-1 wattnyi energiával melegedtek.
Az óceánok hihetetlen potenciállal rendelkeznek a hőenergia tárolására. Mivel felszínük hosszabb ideig közvetlen napfénynek van kitéve, hatalmas különbség van a sekély és a mélyvízi tengeri területek hőmérséklete között.
Ezt a hőmérséklet-különbséget fel lehet használni egy hőmotor működtetésére és áramtermelésre. Ez a fajta energiaátalakítás, amelyet óceáni termikus energiaátalakításnak neveznek, folyamatosan működhet, és különböző mellékágazatokat támogathat.
Napkályha
A hőátadás típusa: Sugárzás és vezetés
A napfőző egy alacsony technológiai színvonalú, olcsó eszköz, amely a közvetlen napfény energiáját használja fel az ital és más élelmiszer-alapanyagok melegítésére, főzésére vagy pasztőrözésére. Egy napsütéses napon akár 400°C-os hőmérsékletet is elérhet.
Minden napfőző három alapelv alapján működik:
- Koncentrálja a napfényt: A készülék tükrös felületet tartalmaz, amely a Napból érkező fényt egy kis főzőfelületre koncentrálja.
- A fényenergiát hőenergiává alakítja: Amikor a fény egy befogadó anyagra (főzőedényre) esik, a fényt hővé alakítja át, ezt nevezzük vezetésnek.
- Hőenergia csapdába ejtése: Az üvegfedél elszigeteli a főzőedény belsejében lévő levegőt a külső levegőtől, így minimálisra csökkenti a konvekciót (hőveszteséget).
Kézzel dörzsöljük össze
A hőátadás típusa: Vezetés
Amikor összedörzsöljük a kezünket, a súrlódás a mechanikai energiát hőenergiává alakítja. A mechanikai energia a kezünk mozgására utal.
Mivel a súrlódás a két egymáshoz érő felületen lévő töltött részecskék közötti elektromágneses vonzás következtében jön létre, a kezünk egymáshoz dörzsölése elektromágneses energia cseréjét eredményezi a kezünk molekulái között. Ez a kezünk molekuláinak hőgerjesztéséhez vezet, ami végül hő formájában energiát termel.
Hőmotor
A hőátadás típusa: Konvekció
A hőmotor a hőenergiát mechanikai energiává alakítja, amelyet aztán mechanikai munka végzésére lehet felhasználni. A motor a (környezethez viszonyított) melegségből származó energiát veszi el és alakítja át mozgásba.
A motor típusától függően különböző eljárásokat alkalmaznak, például nukleáris folyamatokból származó energiát használnak fel hőtermelésre (urán) vagy tüzelőanyagot gyújtanak meg égetéssel (szén vagy benzin). A cél minden eljárásnál ugyanaz: a hőt munkává alakítani.
A hőmotorok mindennapi példái közé tartozik a gőzmozdony, a belsőégésű motor és a hőerőmű. Ezek mindegyike a felhevített gázok tágulása által hajtott.
Égő gyertya
A hőátadás típusa: Vezetés, konvekció, sugárzás
A gyertyák hőtermeléssel világítanak. A kémiai energiát hővé alakítják át. A kémiai reakciót égésnek nevezzük, ahol a gyertyaviasz reakcióba lép a levegőben lévő oxigénnel, és egy kis mennyiségű gőzzel együtt szén-dioxid nevű színtelen gáz keletkezik.
A gőz a láng kék részében keletkezik, ahol a viasz sok oxigénnel tisztán ég. Mivel azonban egyetlen viasz sem ég tökéletesen, ezért a láng világos, sárga részében egy kis füst (aeroszol) is keletkezik.
A folyamat során a kanóc magába szívja a viaszt, és égve fényt és hőenergiát termel.
Elektromos kenyérpirítók
A hőátadás típusa: Hősugárzás
Az elektromos kenyérpirító nagyon hatékonyan veszi fel az elektromos energiát, és alakítja át hővé. Vékony huzalok (szálak) soraiból áll, amelyek elég nagy távolságra vannak egymástól ahhoz, hogy a kenyér teljes felületét megpirítsák.
Amikor az elektromosság átfolyik a huzalon, az energia az egyik végéről a másikra kerül. Ezt az energiát az elektronok szállítják. A folyamat során az elektronok egymással és a fémhuzalban lévő atomokkal ütköznek, és hőt bocsátanak ki. Minél nagyobb az elektromos áram és minél vékonyabb a vezeték, annál több ütközés történik, és annál több hő keletkezik.
Modern otthoni fűtési rendszerek
A hőátadás típusa: Konvekció
Az épületekbe telepített fűtési rendszerek két gyakori típusa a meleglevegő- és a melegvíz-fűtési rendszerek. Az első a hőenergiát használja a levegő felmelegítésére, majd a levegőt csatornák és regiszterek rendszerén keresztül keringeti. A meleg levegő a csatornákból kifújva kering a helyiségekben, kiszorítva a hideg levegőt az útból.
A második a hőenergiát a víz felmelegítésére használja, majd csövek és radiátorok rendszerén keresztül az egész épületbe pumpálja. A forró radiátor hőenergiát sugároz a környező levegőbe. A meleg levegő ezután konvekciós áramlatokban mozog a helyiségekben.
olvasd: A mozgási energia 10 legjobb példája
CPU-k és más elektromos alkatrészek
A processzoron lévő ventilátorhűtéses hűtőborda
A hőátadás típusa: Konvekció és vezetés
A CPU, a GPU és a rendszer egy chipen az elektronikus áramkörök ellenállása miatt hő formájában vezeti el az energiát. A laptopokban/asztalos számítógépekben lévő GPU-k a nagyobb összetettségük és sebességük miatt lényegesen több energiát fogyasztanak és vezetnek el, mint a mobil processzorok.
Olvasd: A konvekció 14 legjobb példája egyszerű magyarázattal
A mikroprocesszorok optimális hőmérsékleten tartására különböző típusú hűtőrendszereket használnak. Egy hagyományos asztali CPU-hűtőrendszer például úgy van kialakítva, hogy akár 90 wattnyi hőt is elvezessen anélkül, hogy túllépné az asztali CPU maximális csatlakozási hőmérsékletét.