日常生活における熱エネルギーの12の例
熱エネルギーとは、物体内の粒子の動きによって物体が持つエネルギーのことです。 物質を構成する分子や原子は常に動いていますが、物体が加熱されると、温度の上昇によってこれらの粒子の動きが速くなり、互いに衝突するようになります。
これは、ボルツマン定数（kB）と絶対温度（T）の積として数学的に書くことができる。
熱エネルギー＝kBT
「熱エネルギー」という言葉は、熱流によって伝えられる熱量やエネルギーにも適用することができる。
熱エネルギー（またはヒートエネルギー）は、3つのプロセスによってある物体から別の物体に移動することができる –
- 伝導：熱移動の最も一般的な形態であり、物理的接触によって発生する。
- 対流：液体や気体などの流体の動きによる、ある領域から別の領域への熱の移動です。
- 放射：空間または媒体を介して粒子または波の形でエネルギーの伝達である。 高温の物体ほど熱エネルギーを放射します。
この現象をよりよく説明するために、日常生活で目にする熱エネルギーの好例を集めました。
太陽エネルギー
熱伝達のタイプ。 放射
太陽はほぼ完全な球体の高温プラズマで、何十億もの化学反応によって水素をヘリウムに変換し、最終的に大量の熱を発生させます。 このエネルギー（熱）のごく一部は、光の形となって地球に到達する。 そのほとんどは、赤外線、可視光線、紫外線などです。 このように熱エネルギーが伝わることを熱放射といいます。
熱エネルギーの一部は地球の大気を通過して地上に届きますが、一部は雲に遮られたり他の物体で反射されたりします。 オレゴン大学によると、地球全体は1日24時間で、1平方メートルあたり平均164ワットを受け取っています。 これは、地球全体が84テラワットの電力を受け取っていることを意味します。
溶ける氷
熱移動のタイプ。 対流
熱エネルギーは常に温度の高い領域から低い領域へ流れます。 たとえば、飲み物に氷を入れると、熱は液体から氷に移動します。
熱が液体から氷に移動すると、液体の温度は下がります。 熱は平衡に達するまで、飲料の中で最も冷たい部分に移動し続ける。 この熱の損失により、飲料の温度が急落します。
燃料電池
水素と酸素を入力とする燃料電池
熱の移動です。 燃料電池の種類による
燃料電池は、燃料と酸化剤ガスの化学エネルギーを電気エネルギーに変換する電気化学デバイスである。 燃料電池が作動するとき、かなりの量の入力が電気エネルギーの生成に使用されますが、燃料電池の種類によっては、残りの部分が熱エネルギーに変換されます。
このプロセスで発生する熱は、エネルギー効率を高めるために利用されます。 理論的には、燃料電池は従来のプロセスよりもはるかにエネルギー効率が高く、コジェネレーション方式で廃熱を回収すれば、最大 90% の効率を達成できます。
地熱エネルギー
熱移動のタイプ。 マントル対流
地熱エネルギーは、地球の地下の中で得られる熱です。 地殻の下の流体や岩石に含まれており、地球の高温の溶岩であるマグマの奥深くに見出すことができます。
物質の放射性崩壊や惑星形成時の継続的な熱損失から生成されます。 コア-マントル境界の温度と圧力は4000℃以上、139GPaに達する可能性があり、一部の岩石が溶けて固体マントルが塑性変形する。
この結果、マントルの一部が上方に対流する（溶けた岩は周囲の固体岩より軽いので）。 蒸気や水が地熱を地表に運び、そこで冷房や暖房に利用したり、クリーンな電気を生産するために利用したりすることができます。 対流と伝導
何十年もの間、海洋は、温室効果ガスの排出による大気中の余分な熱の 9/10 以上を吸収してきました。 ある研究によると、過去 10 年間で、海洋は 1 平方メートルあたり 0.5～1 ワットのエネルギーで加熱されています。
海洋には、熱エネルギーを蓄積する驚くべき可能性があります。 その表面は長時間直射日光にさらされているため、浅海と深海の海洋地域の温度には大きな差があります。
この温度差を利用して、熱機関を動かし、電気を発生させることができるのです。 海洋温度差発電と呼ばれるこの種のエネルギー変換は、連続運転が可能で、さまざまなスピンオフ産業を支えることができます。
ソーラークッカー
熱移動のタイプ。 放射および伝導
ソーラークッカーは、直射日光のエネルギーを利用して、飲み物やその他の食品材料を加熱、調理または低温殺菌するローテクかつ安価な装置です。 晴れた日には、最高400℃の温度を達成することができます。
すべてのソーラークッカーは、3つの基本原理で動作します：
- 太陽光を集中的に浴びることができます。
- 太陽光の集光：装置には鏡面があり、太陽からの光を小さな調理エリアに集めます。
- 光エネルギーを熱エネルギーに変換する。 光が受光材（調理鍋）に当たると、光を熱に変換する。これを熱エネルギーを閉じ込める。
- 伝導と呼ぶ。 ガラス蓋は調理器内の空気を外気から遮断し、対流（熱損失）を最小限に抑えます。
Rubbing Your Hand Together
熱移動のタイプ。 伝導
手をこすり合わせると、摩擦によって機械的エネルギーが熱エネルギーに変わります。 機械的エネルギーとは、手の動きを指します。
摩擦は、2 つの接触面にある荷電粒子間の電磁的な引力によって起こるので、手をこすり合わせると、手の分子間で電磁エネルギーの交換が行われます。
熱機関
熱の移動の種類。 Convection
ヒートエンジンは、熱エネルギーを機械的エネルギーに変換し、それを使って機械的な仕事をすることができます。 エンジンは、（周囲に比べて）暖かいことからエネルギーを得て、それを運動に変えます。
エンジンの種類によって、核プロセスからのエネルギーを使用して熱を生成したり（ウラン）、燃焼によって燃料に点火したり（石炭やガソリン）、さまざまなプロセスが適用されます。
熱機関の身近な例としては、蒸気機関車、内燃機関、火力発電所などがある。 これらはすべて、加熱された気体の膨張によって動きます。
燃やすろうそく
熱移動のタイプ：熱を仕事に変える。 伝導、対流、輻射
ロウソクは熱を発生させることで明かりを作ります。 化学エネルギーを熱に変換するのです。 化学反応は燃焼と呼ばれ、ろうそくのロウが空気中の酸素と反応し、二酸化炭素という無色の気体と少量の蒸気を発生させます。
この過程で、芯がワックスを吸収して燃焼し、光と熱エネルギーを生み出します。
電気トースター
熱移動のタイプ。 熱放射
電気トースターは、電気エネルギーを取り込み、非常に効率よく熱に変換します。 これは、パンの表面全体をトーストするのに十分な間隔をあけて並んだ細いワイヤー（フィラメント）で構成されています。
ワイヤーに電気が流れると、エネルギーが端から端に伝わります。 このエネルギーは電子によって運ばれる。 その過程で、電子は互いに、また金属線の中の原子と衝突し、熱を発します。
Modern Home Heating Systems
熱伝達のタイプ。 対流式
建物に設置される暖房システムには、温風式と温水式の2種類が一般的です。 前者は、熱エネルギーで空気を加熱し、ダクトやレジスターなどのシステムで循環させるものである。
一方、2つ目は熱エネルギーを使って水を加熱し、パイプとラジエーターのシステムで建物全体に送り出すものです。 高温のラジエーターは、周囲の空気に熱エネルギーを放射します。
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CPU and Other Electric Components
A fan-cooled heat sink on the processorType of heat transfer.これは、熱を移動させる方法です。 対流と伝導
CPU や GPU、System on a Chip は、電子回路の抵抗により、エネルギーを熱として放散します。
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マイクロプロセッサを最適な温度に保つために、さまざまなタイプの冷却システムが使用されます。 例えば、従来のデスクトップCPU冷却システムは、デスクトップのCPUの最大接合部温度を超えることなく、最大90ワットの熱を放散するように設計されています。