Atomai ir molekulės, sudarančios medžiagą, nuolat juda. Šis judėjimas suteikia medžiagai temperatūrą: kuo daugiau molekulės juda, tuo aukštesnė temperatūra. Šiluminė energija yra tiesiog energija, kurią medžiaga turi dėl jos atomų ar molekulių judėjimo. Svarbu to nepainioti su šiluma – energija, kuri perkeliama iš vienos vietos į kitą. Šiluminę energiją žmonės jau seniai naudoja maisto ruošimui, šildymui, energijos gamybai ir pramonei.
Radiacija, laidumas ir konvekcija
Šiluma apibrėžiama kaip energija, kuri perduodama iš vieno regiono į kitą, visada tekant iš aukštesnės temperatūros į žemesnės temperatūros sritį. Jį gali perduoti infraraudonoji spinduliuotė, elektromagnetinės spinduliuotės forma, kurios bangų ilgiai yra tarp radijo bangų ir matomos šviesos. Tai sąveikauja su medžiaga, todėl molekulės juda didesniu greičiu, o tai vertinama kaip temperatūros kilimas: medžiaga įkaista arba įkaista, nes energija iš spinduliuotės šaltinio buvo perduota ją sugeriančiai medžiagai. Pavyzdžiui, jei objektas laikomas šalia liepsnos, jis įkaista dėl liepsnos infraraudonųjų spindulių.
Perkėlimas taip pat gali būti atliekamas dviem kitais būdais. Laidumo metu molekulių judėjimas karštame regione padidina judėjimą vėsesnėse vietose, nes molekulės susiduria viena su kita. Pavyzdžiui, jei metalinis šaukštas laikomas liepsnoje, kitas šaukšto galas ilgainiui įkais.
Konvekcija apima dujų ar skysčio regiono, kuris yra šiltesnis nei aplinka, judėjimą. Pavyzdžiui, Saulė šildo žemę, o tai savo ruožtu šildo orą, kuris tada juda aukštyn, nes šiltas oras yra mažiau tankus nei vėsesnis oras aukščiau. Būtent konvekcija varo pasaulio oro sistemas, nes šiltas oras iš tropikų kyla aukštyn ir teka į išorę.
Šiluminė energija ir medžiaga
Šiluminė energija gali pakeisti medžiagos būseną. Jei kietoje medžiagoje esančios molekulės pakankamai padidina savo judėjimą, ji ištirps ir taps skysčiu. Dėl tolesnio padidėjimo skystis užvirs ir taps dujomis, nors skysčiai taip pat linkę išgaruoti esant gerokai žemesnei nei virimo temperatūrai, nes kai kurios molekulės judės pakankamai greitai, kad ištrūktų iš skysčio. Kadangi dujose esančios molekulės juda greičiau nei skystyje, dujos turi daugiau energijos. Štai kodėl prakaitavimas atvėsina žmones: garuodamas prakaitas pasiima šilumą iš kūno.
Šiluminės energijos panaudojimas
Šiluminės energijos naudojimas tiesiogiai arba elektros energijos gamybai paskatino pramonės revoliuciją. Tai leido dideliu mastu gaminti geležį ir plieną ir gamino garą turbinoms, naudojamoms elektrai gaminti. Žmonija jau kurį laiką buvo labai priklausoma nuo iškastinio kuro, pavyzdžiui, naftos, anglies ir gamtinių dujų, kaip šiluminės energijos šaltinių, deginimo. Tačiau susirūpinimas dėl taršos, klimato kaitos ir neatsinaujinimo sukėlė didelį susidomėjimą alternatyvomis.
Vienas iš naudojamų šaltinių yra geoterminė energija. Žemė turi išlydytą šerdį, kurios temperatūra, kaip manoma, yra 5,432 9,032–3,000 5,000 ° F (XNUMX XNUMX–XNUMX XNUMX ° C). Šią aukštą temperatūrą iš dalies lemia šiluma, likusi po Žemės formavimosi, įstrigusios po izoliuojančiais uolienų sluoksniais plutoje, ir iš dalies dėl radioaktyvių elementų irimo. Tarp šerdies ir plutos yra mantija, karšta, pusiau skysta sritis, kuri skatina plokščių tektoniką ir ugnikalnių išsiveržimus. Žemės plutoje yra daug „karštų taškų“, kur ši šiluma yra arti paviršiaus ir gali būti panaudota įvairiais būdais.
Geoterminė šiluma gali būti naudojama tiesiogiai, namų šildymui arba elektros gamybai. Geizeriai yra paruoštas karšto vandens šaltinis, tačiau dauguma geoterminių projektų yra susiję su skylių gręžimu ir vandens pumpavimu į jas. Vanduo pašildomas žemiau paviršiaus ir vėl išpumpuojamas, kad būtų suteikta energija. Geoterminė energija, griežtai tariant, nėra atsinaujinantis energijos šaltinis, tačiau iš branduolio tiekiama tokia didžiulė šiluma, kad ji artimiausiu metu nesibaigs.
Nors saulės energiją galima panaudoti elektrai gaminti tiesiogiai per saulės baterijas, kita tyrinėjama sritis yra saulės šiluminė energija. Tai apima saulės šilumos surinkimą, kad būtų tiekiama energija arba karštas vanduo. Jis gali būti naudojamas centriniam šildymui namuose, kur vanduo ar kitas skystis pumpuojamas per talpyklą, kuri patenka į saulės šviesą ir padidina jo temperatūrą. Arba saulės šiluma gali būti naudojama mechaniniams įrenginiams, gaminantiems elektrą, valdyti arba gali būti sufokusuota išgaubtais veidrodžiais taip, kad būtų šiluma gaminant maistą ar kitais tikslais. Šią idėją taip pat galima pritaikyti didesniu mastu virinant vandenį, kuris varo turbiną, arba sukurti „saulės krosnį“, galinčią pasiekti kai kuriems pramoniniams procesams reikalingas ekstremalias temperatūras.