12 exemple de energie termică în viața de zi cu zi
Energia termică se referă la energia deținută de un obiect datorită mișcărilor particulelor din interiorul obiectului. Este energia cinetică internă a obiectului, care provine din mișcările aleatorii ale moleculelor și atomilor obiectului.
În timp ce moleculele și atomii care alcătuiesc materia se mișcă tot timpul, atunci când un obiect se încălzește, creșterea temperaturii face ca aceste particule să se miște mai repede și să se ciocnească între ele. Cu cât aceste particule se mișcă mai repede, cu atât mai mare este energia termică a obiectului.
Aceasta poate fi scrisă matematic ca produsul dintre constanta lui Boltzmann (kB) și temperatura absolută (T).
Energia termică = kBT
Termenul „energie termică” poate fi aplicat și la cantitatea de căldură transferată sau la energia transportată de fluxul de căldură.
Energia termică (sau energia termică) poate fi transferată de la un corp la altul prin trei procese –
- Conducție: este cea mai comună formă de transfer de căldură, care are loc prin contact fizic: Transferurile interne de energie datorate ciocnirilor microscopice ale particulelor și mișcării electronilor în interiorul unui corp.
- Convecția: este transferul de căldură dintr-o regiune în alta prin mișcarea fluidelor, cum ar fi lichidele și gazele.
- Radiația: este transmiterea de energie sub formă de particule sau unde prin spațiu sau printr-un mediu. Cu cât obiectul este mai cald, cu atât mai mult va radia energie termică.
Pentru a explica mai bine acest fenomen, am adunat câteva dintre cele mai bune exemple de energie termică pe care le vedeți în viața de zi cu zi.
Energie solară
Tip de transfer de căldură: Radiație
Soarele este o sferă aproape perfectă de plasmă fierbinte care transformă hidrogenul în heliu prin miliarde de reacții chimice, care în cele din urmă produc o cantitate intensă de căldură.
În loc să rămână în apropierea Soarelui, căldura radiază departe de stea și în spațiu. O mică parte din această energie (căldură) ajunge pe Pământ sub formă de lumină. Aceasta conține în principal lumină infraroșie, vizibilă și ultravioletă. Transferul de energie termică în acest mod se numește radiație termică.
În timp ce o parte din energia termică traversează atmosfera Pământului și ajunge la sol, o parte din ea este blocată de nori sau reflectată de alte obiecte. Lumina solară care ajunge la suprafața Pământului îl încălzește.
Potrivit Universității din Oregon, întregul Pământ primește o medie de 164 de wați pe metru pătrat pe parcursul unei zile de 24 de ore. Acest lucru înseamnă că întreaga planetă primește 84 de Terawați de energie.
Fundarea gheții
Tip de transfer de căldură: Convecție
Energia termică circulă întotdeauna dinspre regiunile cu temperatură mai ridicată spre regiunile cu temperatură mai scăzută. De exemplu, atunci când adăugați cuburi de gheață în băutura dumneavoastră, căldura se deplasează de la lichid la cuburile de gheață.
Temperatura lichidului scade pe măsură ce căldura se transferă de la băutură la gheață. Căldura continuă să se deplaseze către zona cea mai rece din băutură până când se ajunge la un echilibru. Această pierdere de căldură face ca temperatura băuturii să scadă vertiginos.
Pile de combustie
O celulă de combustie care ia ca intrare hidrogen și oxigen
Transfer de căldură: Depinde de tipul de pilă de combustibil
Pilele de combustibil sunt dispozitive electrochimice care transformă energia chimică a unui combustibil și a unui gaz oxidant în energie electrică. Atunci când o celulă de combustibil funcționează, o cantitate semnificativă de intrare este utilizată pentru a genera energie electrică, dar partea rămasă este transformată în energie termică, în funcție de tipul de celulă de combustibil.
Căldura produsă pe parcursul acestui proces este exploatată pentru a crește eficiența energetică. Teoretic, pilele de combustie sunt mult mai eficiente din punct de vedere energetic decât procesele convenționale: dacă căldura reziduală este captată într-o schemă de cogenerare, se pot obține randamente de până la 90%.
Energie geotermală
Tip de transfer de căldură: Convecția mantalei
Energia geotermală este căldura obținută în subsolul Pământului. Este conținută în fluidele și rocile de sub scoarța terestră și poate fi găsită la mare adâncime în roca topită fierbinte a Pământului, magma.
Este produsă din descompunerea radioactivă a materialelor și din pierderea continuă de căldură din formarea planetei. Temperatura și presiunea la limita dintre nucleu și mantaua ar putea atinge peste 4000°C și 139 GPa, ceea ce face ca unele roci să se topească, iar mantaua solidă să se comporte plastic.
Aceasta duce la convecția în sus a unor porțiuni din mantaua (deoarece roca topită este mai ușoară decât roca solidă din jur). Aburul și/sau apa transportă energia geotermală la suprafața planetei, de unde poate fi utilizată pentru răcire și încălzire, sau poate fi exploatată pentru a produce electricitate curată.
Energie termică în ocean
Tip de transfer de căldură: Convecție și conducție
De-a lungul deceniilor, oceanele au absorbit mai mult de 9/10 din excesul de căldură din atmosferă datorat emisiilor de gaze cu efect de seră. Potrivit unui studiu, oceanul s-a încălzit cu o rată de 0,5 până la 1 watt de energie pe metru pătrat în ultimii zece ani.
Oceanele au un potențial incredibil de stocare a energiei termice. Deoarece suprafețele lor sunt expuse la lumina directă a soarelui pentru perioade îndelungate, există o diferență uriașă între temperaturile din regiunile marine de mică și mare adâncime.
Această diferență de temperatură poate fi folosită pentru a pune în funcțiune un motor termic și a genera electricitate. Acest tip de conversie a energiei, cunoscut sub numele de conversie a energiei termice oceanice, poate funcționa în mod continuu și poate susține diverse industrii derivate.
Cogător solar
Tip de transfer de căldură: Radiație și conducție
Un aragaz solar este un dispozitiv ieftin, de tehnologie redusă, care utilizează energia luminii solare directe pentru a încălzi, găti sau pasteuriza băutura și alte materiale alimentare. Într-o zi însorită, poate atinge o temperatură de până la 400°C.
Toate aragazurile solare funcționează pe baza a trei principii de bază:
- Concentrarea luminii solare: Aparatul conține o suprafață cu oglinzi pentru a concentra lumina de la Soare într-o zonă mică de gătit.
- Constituie energia luminoasă în energie termică: Atunci când lumina cade pe un material receptor (tigaia de gătit), aceasta convertește lumina în căldură, iar acest lucru este ceea ce numim conducție.
- Captarea energiei termice: Un capac de sticlă izolează aerul din interiorul aragazului de aerul exterior, minimizând convecția (pierderea de căldură).
Răsfoind mâna
Tipul de transfer de căldură: Conducție
Când vă frecați mâinile una de alta, frecarea transformă energia mecanică în energie termică. Energia mecanică se referă la mișcarea mâinilor tale.
Din moment ce frecarea are loc datorită atracției electromagnetice dintre particulele încărcate din două suprafețe care se ating, frecarea mâinilor una de alta duce la un schimb de energie electromagnetică între moleculele mâinilor noastre. Acest lucru duce la excitarea termică a moleculelor mâinilor noastre, care, în cele din urmă, produce energie sub formă de căldură.
Motor termic
Tip de transfer de căldură: Convecție
Un motor termic convertește energia termică în energie mecanică, care poate fi apoi folosită pentru a efectua lucru mecanic. Motorul preia energia rezultată din faptul că este cald (în comparație cu mediul înconjurător) și o transformă în mișcare.
În funcție de tipul de motor, se aplică diferite procese, cum ar fi utilizarea energiei din procesele nucleare pentru a genera căldură (uraniu) sau aprinderea combustibilului prin ardere (cărbune sau benzină). În toate procesele, obiectivul este același: transformarea căldurii în muncă.
Exemplele cotidiene de motoare termice includ locomotiva cu abur, motorul cu ardere internă și centrala termică. Toate acestea sunt acționate prin expansiunea gazelor încălzite.
Cântecul de ardere a lumânării
Tip de transfer de căldură: Conducție, convecție, radiație
Cândele fac lumină prin producerea de căldură. Ele transformă energia chimică în căldură. Reacția chimică se numește combustie, unde ceara de lumânare reacționează cu oxigenul din aer și produce un gaz incolor numit dioxid de carbon împreună cu o cantitate mică de abur.
Vaporul este produs în partea albastră a flăcării, unde ceara arde curat cu mult oxigen. Dar cum nici o ceară nu arde perfect, ele produc și un pic de fum (aerosol) în partea galbenă, luminoasă a flăcării.
În tot acest proces, fitilul absoarbe ceara și arde pentru a produce lumină și energie termică.
Bucătoarele de pâine electrice
Tip de transfer de căldură: Radiație termică
Un prăjitor de pâine electric preia energia electrică și o transformă în căldură foarte eficient. Este format din rânduri de fire subțiri (filamente) care sunt suficient de distanțate pentru a prăji întreaga suprafață de pâine.
Când electricitatea trece prin fire, energia este transferată de la un capăt la altul. Această energie este transportată de electroni. Pe parcursul procesului, electronii se ciocnesc între ei și cu atomii din firul metalic, emițând căldură. Cu cât curentul electric este mai mare și cu cât sârma este mai subțire, cu atât mai multe coliziuni au loc și cu atât mai multă căldură este produsă.
Sisteme moderne de încălzire a locuințelor
Tip de transfer de căldură: Convecție
Două tipuri comune de sisteme de încălzire instalate în clădiri sunt sistemele de încălzire cu aer cald și cu apă caldă. Primul folosește energia termică pentru a încălzi aerul și apoi îl face să circule printr-un sistem de conducte și registre. Aerul cald iese din conducte și circulă prin încăperi, împingând aerul rece din drum.
În timp ce al doilea folosește energia termică pentru a încălzi apa și apoi o pompează în toată clădirea într-un sistem de conducte și radiatoare. Radiatorul fierbinte radiază energia termică către aerul din jur. Aerul cald se deplasează apoi prin încăperi în curenți de convecție.
Citește: 10 cele mai bune exemple de energie cinetică
CPU și alte componente electrice
Un radiator răcit de ventilator pe procesor
Tip de transfer de căldură: Convecție și conducție
CPU, GPU și sistemul pe un cip disipă energie sub formă de căldură din cauza rezistenței din circuitele electronice. GPU-urile din laptopuri/ desktop-uri consumă și disipă semnificativ mai multă energie decât procesoarele mobile, din cauza complexității și vitezei lor mai mari.
Citește: 14 cele mai bune exemple de convecție cu explicații simple
Diverse tipuri de sisteme de răcire sunt folosite pentru a menține microprocesoarele la temperaturi optime. De exemplu, un sistem convențional de răcire a procesorului unui desktop este proiectat să disipeze până la 90 de wați de căldură fără a depăși temperatura maximă de joncțiune pentru procesorul desktop-ului.
.