12 Examples Of Thermal Energy In Everyday Life
Energia termiczna odnosi się do energii posiadanej przez obiekt z powodu ruchów cząsteczek w obiekcie. Jest to wewnętrzna energia kinetyczna obiektu, która pochodzi z przypadkowych ruchów cząsteczek i atomów obiektu.
Choć cząsteczki i atomy, które tworzą materię poruszają się cały czas, kiedy obiekt się nagrzewa, wzrost temperatury sprawia, że cząsteczki poruszają się szybciej i zderzają się ze sobą. Im szybciej poruszają się te cząsteczki, tym wyższa jest energia cieplna obiektu.
Można ją zapisać matematycznie jako iloczyn stałej Boltzmanna (kB) i temperatury bezwzględnej (T).
Energia cieplna = kBT
Termin „energia cieplna” może być również stosowany do ilości przekazywanego ciepła lub energii niesionej przez przepływ ciepła.
Energia termiczna (lub energia cieplna) może być przekazywana z jednego ciała do drugiego za pomocą trzech procesów –
- Przewodzenie: jest najbardziej powszechną formą przekazywania ciepła, która występuje poprzez kontakt fizyczny: Wewnętrzne transfery energii spowodowane mikroskopijnymi zderzeniami cząsteczek i ruchem elektronów w ciele.
- Konwekcja: jest przekazywaniem ciepła z jednego regionu do drugiego przez ruch płynów, takich jak ciecze i gazy.
- Promieniowanie: jest przekazywaniem energii w postaci cząsteczek lub fal przez przestrzeń lub medium. Im gorętszy obiekt, tym bardziej będzie promieniował energię cieplną.
Aby lepiej wyjaśnić to zjawisko, zebraliśmy kilka najlepszych przykładów energii cieplnej, które można zobaczyć w życiu codziennym.
Energia słoneczna
Typ przekazywania ciepła: Promieniowanie
Słońce jest prawie idealną kulą gorącej plazmy, która przekształca wodór w hel poprzez miliardy reakcji chemicznych, które ostatecznie wytwarzają intensywną ilość ciepła.
Zamiast pozostawać w pobliżu Słońca, ciepło promieniuje z dala od gwiazdy i w przestrzeń kosmiczną. Niewielka część tej energii (ciepła) dociera do Ziemi w postaci światła. Zawiera ono głównie światło podczerwone, widzialne i ultrafioletowe. Przekazywanie energii cieplnej w ten sposób nazywa się promieniowaniem cieplnym.
Choć część energii cieplnej przedostaje się przez atmosferę ziemską i dociera do Ziemi, część z niej zostaje zablokowana przez chmury lub odbita od innych obiektów. Światło słoneczne, które dociera do powierzchni Ziemi ogrzewa ją.
Zgodnie z University of Oregon, cała Ziemia otrzymuje średnio 164 waty na metr kwadratowy w ciągu 24 godzinnego dnia. Oznacza to, że cała planeta otrzymuje 84 Terawaty mocy.
Topienie lodu
Typ wymiany ciepła: Konwekcja
Energia cieplna zawsze przepływa z regionów o wyższej temperaturze do regionów o niższej temperaturze. Na przykład, kiedy dodajesz kostki lodu do swojego napoju, ciepło przemieszcza się z cieczy do kostek lodu.
Temperatura cieczy spada, ponieważ ciepło przenosi się z napoju na lód. Ciepło kontynuuje ruch do najzimniejszego obszaru w napoju, aż osiągnie równowagę. Ta utrata ciepła powoduje obniżenie temperatury napoju.
Ogniwa paliwowe
Ogniwo paliwowe, które pobiera wodór i tlen jako dane wejściowe
Przekazywanie ciepła: Zależy od typu ogniwa paliwowego
Ogniwa paliwowe to urządzenia elektrochemiczne, które przekształcają energię chemiczną paliwa i gazu utleniającego w energię elektryczną. Kiedy ogniwo paliwowe działa, znaczna część energii wejściowej jest wykorzystywana do generowania energii elektrycznej, ale pozostała część jest przekształcana w energię cieplną, w zależności od typu ogniwa paliwowego.
Ciepło wytwarzane w tym procesie jest wykorzystywane do zwiększenia wydajności energetycznej. Teoretycznie ogniwa paliwowe są znacznie bardziej wydajne energetycznie niż procesy konwencjonalne: jeśli ciepło odpadowe jest wychwytywane w systemie kogeneracji, można osiągnąć wydajność do 90%.
Energia geotermalna
Typ wymiany ciepła: Konwekcja płaszczowa
Energia geotermalna to ciepło pochodzące w obrębie podpowierzchni Ziemi. Jest ona zawarta w płynach i skałach pod skorupą ziemską i można ją znaleźć głęboko w gorącej stopionej skale Ziemi, magmie.
Jest ona wytwarzana z radioaktywnego rozpadu materiałów i ciągłej utraty ciepła podczas formowania się planety. Temperatura i ciśnienie na granicy jądro-mantyl może osiągnąć ponad 4000°C i 139 GPa, powodując, że niektóre skały topią się, a stały płaszcz zachowuje się plastycznie.
Wynikiem tego jest konwekcja części płaszcza ku górze (ponieważ stopiona skała jest lżejsza od otaczającej ją skały litej). Para i/lub woda przenoszą energię geotermalną na powierzchnię planety, skąd może być wykorzystana do celów chłodzenia i ogrzewania, lub może być wykorzystana do produkcji czystej energii elektrycznej.
Energia cieplna w oceanie
Typ wymiany ciepła: Konwekcja i Przewodzenie
Przez dziesięciolecia oceany pochłaniały ponad 9/10 nadwyżki ciepła atmosferycznego pochodzącego z emisji gazów cieplarnianych. Według badań, ocean ogrzewał się w tempie od 0,5 do 1 wata energii na metr kwadratowy w ciągu ostatnich dziesięciu lat.
Oceany mają niesamowity potencjał do przechowywania energii cieplnej. Ponieważ ich powierzchnie są wystawione na bezpośrednie działanie promieni słonecznych przez dłuższy czas, istnieje ogromna różnica między temperaturą płytkich i głębokich wód morskich.
Ta różnica temperatur może być wykorzystana do uruchomienia silnika cieplnego i generowania energii elektrycznej. Ten rodzaj konwersji energii, znany jako oceaniczna konwersja energii termicznej, może działać w sposób ciągły i może wspierać różne gałęzie przemysłu spin-off.
Kuchnia słoneczna
Typ przekazywania ciepła: Promieniowanie i Przewodzenie
Kuchnia słoneczna to niedrogie urządzenie o niskim zaawansowaniu technologicznym, które wykorzystuje energię bezpośredniego światła słonecznego do podgrzewania, gotowania lub pasteryzacji napojów i innych materiałów spożywczych. W słoneczny dzień może ono osiągnąć temperaturę do 400°C.
Wszystkie kuchenki słoneczne działają na trzech podstawowych zasadach:
- Skoncentruj światło słoneczne: Urządzenie zawiera lustrzaną powierzchnię, aby skoncentrować światło ze Słońca do małego obszaru gotowania.
- Zamiana energii świetlnej w energię cieplną: Kiedy światło pada na materiał odbiornika (patelnię do gotowania), przekształca światło w ciepło, a to właśnie nazywamy przewodzeniem.
- Przechwytywanie energii cieplnej: Szklana pokrywa izoluje powietrze wewnątrz garnka od powietrza zewnętrznego, minimalizując konwekcję (utratę ciepła).
Rubbing Your Hand Together
Typ przekazywania ciepła: Przewodzenie
Gdy pocieramy o siebie dłonie, tarcie zamienia energię mechaniczną w energię cieplną. Energia mechaniczna odnosi się do ruchu Twoich rąk.
Ponieważ tarcie występuje z powodu przyciągania elektromagnetycznego pomiędzy naładowanymi cząsteczkami w dwóch dotykających się powierzchniach, pocieranie rąk powoduje wymianę energii elektromagnetycznej pomiędzy cząsteczkami naszych rąk. Prowadzi to do termicznego wzbudzenia molekuł naszych dłoni, co ostatecznie wytwarza energię w postaci ciepła.
Silnik cieplny
Typ wymiany ciepła: Konwekcja
Silnik cieplny przekształca energię cieplną w energię mechaniczną, która może być następnie wykorzystana do wykonania pracy mechanicznej. Silnik pobiera energię z ciepła (w porównaniu z otoczeniem) i przekształca ją w ruch.
W zależności od rodzaju silnika stosowane są różne procesy, takie jak wykorzystanie energii z procesów jądrowych do wytwarzania ciepła (uran) lub zapalanie paliwa poprzez spalanie (węgiel lub benzyna). We wszystkich procesach cel jest ten sam: przekształcenie ciepła w pracę.
Powszechne przykłady silników cieplnych obejmują lokomotywę parową, silnik spalinowy i elektrownię cieplną. Wszystkie one są zasilane przez rozprężanie ogrzanych gazów.
Płonąca świeca
Typ przekazywania ciepła: Przewodzenie, Konwekcja, Promieniowanie
Świece wytwarzają światło poprzez produkcję ciepła. Przekształcają one energię chemiczną w ciepło. Reakcja chemiczna nazywa się spalaniem, gdzie wosk świecy reaguje z tlenem w powietrzu i wytwarza bezbarwny gaz o nazwie dwutlenek węgla wraz z niewielką ilością pary wodnej.
Para wodna jest wytwarzana w niebieskiej części płomienia, gdzie wosk spala się czysto z dużą ilością tlenu. Ale ponieważ żaden wosk nie spala się idealnie, produkują one również trochę dymu (aerozolu) w jasnej, żółtej części płomienia.
Przez cały proces, knot absorbuje wosk i spala się wytwarzając światło i energię cieplną.
Tostery elektryczne
Typ przekazywania ciepła: Promieniowanie cieplne
Piekarnik elektryczny pobiera energię elektryczną i bardzo wydajnie przekształca ją w ciepło. Składa się on z szeregu cienkich drutów (włókien), które są rozmieszczone wystarczająco szeroko, aby opiekać całą powierzchnię chleba.
Gdy elektryczność przepływa przez drut, energia jest przenoszona z jednego końca na drugi. Energia ta jest przenoszona przez elektrony. W trakcie tego procesu elektrony zderzają się ze sobą i z atomami w metalowym drucie, wydzielając ciepło. Im większy prąd elektryczny i im cieńszy przewód, tym więcej zderzeń i tym więcej ciepła jest wytwarzane.
Nowoczesne domowe systemy grzewcze
Typ wymiany ciepła: Konwekcja
Dwoma popularnymi rodzajami systemów grzewczych instalowanych w budynkach są systemy ogrzewania ciepłym powietrzem i gorącą wodą. Pierwszy z nich wykorzystuje energię cieplną do ogrzania powietrza, a następnie rozprowadza je poprzez system kanałów i rejestrów. Ciepłe powietrze wydmuchuje z kanałów i krąży po pomieszczeniach, wypychając zimne powietrze z drogi.
Drugi wykorzystuje energię cieplną do ogrzewania wody, a następnie pompuje ją w całym budynku w systemie rur i grzejników. Gorący grzejnik wypromieniowuje energię cieplną do otaczającego go powietrza. Ciepłe powietrze następnie przemieszcza się po pomieszczeniach w prądach konwekcyjnych.
Read: 10 Best Examples Of Kinetic Energy
CPUs and Other Electric Components
Radiator chłodzony wentylatorem na procesorze
Typ wymiany ciepła: Konwekcja i przewodzenie
CPU, GPU i system na chipie rozpraszają energię w postaci ciepła ze względu na opór w obwodach elektronicznych. Układy GPU w laptopach/desktopach zużywają i rozpraszają znacznie więcej energii niż procesory mobilne ze względu na ich większą złożoność i szybkość.
Czytaj: 14 najlepszych przykładów konwekcji z prostym wyjaśnieniem
Różne rodzaje systemów chłodzenia są używane do utrzymywania mikroprocesorów w optymalnej temperaturze. Na przykład konwencjonalny system chłodzenia procesora do komputerów stacjonarnych jest zaprojektowany tak, aby odprowadzać do 90 watów ciepła bez przekraczania maksymalnej temperatury złącza procesora komputera stacjonarnego.
.