12 exempel på termisk energi i vardagen
Termisk energi är den energi som finns i ett objekt på grund av partiklarnas rörelser i objektet. Det är objektets inre kinetiska energi som kommer från de slumpmässiga rörelserna hos objektets molekyler och atomer.
Molekyler och atomer som utgör materia rör sig hela tiden, men när ett objekt värms upp gör temperaturökningen att dessa partiklar rör sig snabbare och kolliderar med varandra. Ju snabbare dessa partiklar rör sig, desto högre är objektets termiska energi.
Den kan skrivas matematiskt som produkten av Boltzmanns konstant (kB) och den absoluta temperaturen (T).
Termisk energi = kBT
Uttrycket ”termisk energi” kan också tillämpas på den mängd värme som överförs eller den energi som transporteras av ett värmeflöde.
Thermisk energi (eller värmeenergi) kan överföras från en kropp till en annan via tre processer –
- Konduktion: är den vanligaste formen av värmeöverföring, som sker via fysisk kontakt: Den interna energiöverföringen på grund av mikroskopiska kollisioner mellan partiklar och elektronernas rörelse i en kropp.
- Konvektion: är överföringen av värme från ett område till ett annat genom rörelsen av vätskor, t.ex. vätskor och gaser.
- Strålning: är överföringen av energi i form av partiklar eller vågor genom rymden eller ett medium. Ju varmare föremålet är, desto mer kommer det att utstråla värmeenergi.
För att bättre förklara detta fenomen har vi samlat några av de bästa exemplen på värmeenergi som du ser i vardagen.
Solenergi
Typ av värmeöverföring: Solen är en nästan perfekt sfär av varm plasma som omvandlar väte till helium genom miljarder kemiska reaktioner, som till slut producerar en intensiv mängd värme.
Istället för att stanna i närheten av solen strålar värmen bort från stjärnan och ut i rymden. En liten del av denna energi (värme) når jorden i form av ljus. Det innehåller mestadels infrarött, synligt och ultraviolett ljus. Överföringen av värmeenergi på detta sätt kallas värmestrålning.
Men medan en del av värmeenergin tränger igenom jordens atmosfär och når marken, blockeras en del av den av moln eller reflekteras av andra föremål. Det solljus som når jordens yta värmer den.
Enligt University of Oregon får hela jorden i genomsnitt 164 watt per kvadratmeter under ett dygn. Detta innebär att hela planeten får 84 Terawatts energi.
Smältning av is
Typ av värmeöverföring:
Värmeenergi flödar alltid från områden med högre temperatur till områden med lägre temperatur. När du till exempel lägger isbitar i din dryck rör sig värmen från vätskan till isbitar.
Vätskans temperatur sjunker när värmen överförs från dryck till is. Värmen fortsätter att flytta sig till det kallaste området i drycken tills den når en jämvikt. Denna värmeförlust får dryckens temperatur att sjunka.
Bränsleceller
En bränslecell som tar väte och syre som input
Värmeöverföring: Beror på typen av bränslecell
Bränsleceller är elektrokemiska anordningar som omvandlar den kemiska energin från ett bränsle och en oxiderande gas till elektrisk energi. När en bränslecell fungerar används en betydande del av insatsen för att generera elektrisk energi, men den återstående delen omvandlas till värmeenergi, beroende på typen av bränslecell.
Den värme som produceras under hela denna process utnyttjas för att öka energieffektiviteten. Teoretiskt sett är bränsleceller mycket mer energieffektiva än konventionella processer: om spillvärme fångas upp i ett kraftvärmesystem kan verkningsgrader på upp till 90 % uppnås.
Geotermisk energi
Typ av värmeöverföring:
Geotermisk energi är den värme som härrör från jordens underyta. Den finns i vätskor och bergarter under jordskorpan och kan hittas djupt nere i jordens heta smälta bergarter, magma.
Den produceras genom radioaktivt sönderfall av material och kontinuerlig värmeförlust från planetens bildning. Temperaturen och trycket vid gränsen mellan kärna och mantel kan uppgå till mer än 4 000 °C och 139 GPa, vilket gör att vissa bergarter smälter och att fast mantel beter sig plastiskt.
Detta resulterar i att delar av manteln konvegerar uppåt (eftersom den smälta berget är lättare än det omgivande fasta berget). Ånga och/eller vatten transporterar den geotermiska energin till planetens yta, varifrån den kan användas för kylning och uppvärmning, eller så kan den utnyttjas för att producera ren elektricitet.
Värmeenergi i havet
Typ av värmeöverföring: Under årtionden har haven absorberat mer än nio tiondelar av atmosfärens överskottsvärme från utsläpp av växthusgaser. Enligt en studie har havet värmts upp med en hastighet av 0,5 till 1 watt energi per kvadratmeter under de senaste tio åren.
Oceanerna har en otrolig potential för att lagra värmeenergi. Eftersom deras ytor utsätts för direkt solljus under långa perioder finns det en enorm skillnad mellan temperaturen i de grunda och djupa havsregionerna.
Denna temperaturskillnad kan användas för att driva en värmemotor och generera elektricitet. Denna typ av energiomvandling, som kallas ocean termisk energiomvandling, kan fungera kontinuerligt och kan stödja olika spin-off-industrier.
Solar Cooker
Typ av värmeöverföring: Det är en lågteknologisk och billig anordning som använder energin från direkt solljus för att värma, koka eller pastörisera dryck och andra livsmedel. Under en solig dag kan den uppnå en temperatur på upp till 400 °C.
Alla solkokare fungerar enligt tre grundprinciper:
- Koncentrera solljuset: Apparaten innehåller en speglad yta som koncentrerar ljuset från solen till ett litet matlagningsområde.
- Konverterar ljusenergi till värmeenergi: När ljuset faller på ett mottagarmaterial (stekpanna) omvandlas ljuset till värme, och detta är vad vi kallar konduktion.
- Fånga värmeenergi: Ett glaslock isolerar luften i kokplattan från luften utanför, vilket minimerar konvektion (värmeförlust).
Rubbning Your Hand Together
Typ av värmeöverföring:
När du gnuggar händerna mot varandra omvandlar friktionen mekanisk energi till värmeenergi. Den mekaniska energin avser dina händers rörelse.
Då friktion uppstår på grund av den elektromagnetiska attraktionen mellan laddade partiklar i två rörliga ytor, resulterar gnidandet av händerna i utbyte av elektromagnetisk energi mellan molekylerna i våra händer. Detta leder till termisk excitering av molekylerna i våra händer, vilket i slutändan producerar energi i form av värme.
Heat Engine
Typ av värmeöverföring:
En värmemotor omvandlar värmeenergi till mekanisk energi, som sedan kan användas för att utföra mekaniskt arbete. Motorn tar energin från att vara varm (jämfört med omgivningen) och omvandlar den till rörelse.
Beroende på typ av motor tillämpas olika processer, t.ex. användning av energi från kärntekniska processer för att generera värme (uran) eller antändning av bränsle genom förbränning (kol eller bensin). I alla processer är målet detsamma: att omvandla värme till arbete.
Vardagliga exempel på värmemotorer är ånglokomotiv, förbränningsmotor och värmekraftverk. De drivs alla av expansionen av uppvärmda gaser.
Brinnande ljus
Typ av värmeöverföring: Konduktion, konvektion, strålning
Stearinljus ger ljus genom att producera värme. De omvandlar kemisk energi till värme. Den kemiska reaktionen kallas för förbränning, där ljusvaxet reagerar med luftens syre och bildar en färglös gas som heter koldioxid tillsammans med en liten mängd ånga.
Dämpan bildas i den blå delen av lågan, där vaxet brinner rent med mycket syre. Men eftersom inget vax brinner perfekt producerar de också lite rök (aerosol) i den ljusa, gula delen av lågan.
Under hela processen absorberar veken vaxet och brinner för att producera ljus och värmeenergi.
Elektriska brödrostar
Typ av värmeöverföring: En elektrisk brödrost tar in elektrisk energi och omvandlar den till värme på ett mycket effektivt sätt. Den består av rader av tunna trådar (filament) som ligger tillräckligt långt ifrån varandra för att rosta hela brödytan.
När el strömmar genom tråden överförs energi från den ena änden till den andra. Denna energi transporteras av elektroner. Under hela processen kolliderar elektronerna med varandra och med atomerna i metalltråden och avger värme. Ju större elströmmen är och ju tunnare tråden är, desto fler kollisioner sker och desto mer värme avges.
Modern Home Heating Systems
Typ av värmeöverföring: Två vanliga typer av värmesystem som installeras i byggnader är varmlufts- och varmvattenvärmesystem. Det första använder värmeenergi för att värma upp luften och cirkulerar den sedan genom ett system av kanaler och register. Den varma luften blåser ut ur kanalerna och cirkulerar i rummen och tränger undan kall luft.
Det andra systemet använder värmeenergi för att värma vatten och pumpar det sedan genom hela byggnaden i ett system av rör och radiatorer. Den varma radiatorn utstrålar värmeenergi till den omgivande luften. Den varma luften rör sig sedan genom rummen i konvektionsströmmar.
Läs: 10 bästa exemplen på rörelseenergi
CPU:er och andra elektriska komponenter
En fläktkyld kylfläns på processorn
Typ av värmeöverföring: Konvektion och konduktion
CPU, GPU och system på ett chip avger energi i form av värme på grund av motståndet i elektroniska kretsar. GPU:er i bärbara datorer/desktops förbrukar och avger betydligt mer energi än mobila processorer på grund av deras högre komplexitet och hastighet.
Läs: 14 bästa exemplen på konvektion med enkel förklaring
Varierande typer av kylsystem används för att hålla mikroprocessorer vid optimala temperaturer. Ett konventionellt CPU-kylsystem för stationära datorer är till exempel konstruerat för att avleda upp till 90 watt värme utan att överskrida den maximala temperaturen för den stationära CPU:n.
.