Atomerna och molekylerna som utgör ett ämne är i konstant rörelse. Denna rörelse är det som ger ett material dess temperatur: ju mer molekylerna rör sig, desto högre temperatur. Termisk energi är helt enkelt den energi som ett ämne besitter på grund av rörelsen av dess atomer eller molekyler. Det är viktigt att inte blanda ihop detta med värme, som är energi som överförs från en plats till en annan. Termisk energi har länge utnyttjats av människor för matlagning, uppvärmning, elproduktion och industri.
Strålning, ledning och konvektion
Värme definieras som energi som överförs från en region till en annan, alltid strömmande från ett område med högre till ett lägre temperaturområde. Den kan överföras med infraröd strålning, en form av elektromagnetisk strålning med en rad våglängder som ligger mellan radiovågor och synligt ljus. Detta interagerar med materia för att få molekyler att röra sig med högre hastigheter, vilket ses som en temperaturhöjning: materialet blir varmt eller varmt, eftersom energi har överförts från strålningskällan till materialet som absorberar det. Till exempel, om ett föremål hålls nära en låga, blir det varmt på grund av infraröd strålning från lågan.
Överföring kan också ske med två andra metoder. Vid ledning orsakar rörelsen av molekyler i en varm region ökad rörelse i kallare områden när molekylerna stöter mot varandra. Till exempel, om en metallsked hålls i en låga, kommer den andra änden av skeden så småningom att bli varm.
Konvektion innebär förflyttning av ett område av gas eller vätska som är varmare än dess omgivning. Solen värmer till exempel marken, vilket i sin tur värmer luften, som sedan rör sig uppåt, eftersom den varma luften är mindre tät än den kallare luften ovanför. Det är konvektion som driver världens vädersystem, då varm luft från tropikerna stiger och strömmar utåt.
Termisk energi och materia
Termisk energi kan åstadkomma en förändring i materiens tillstånd. Om molekylerna i ett fast ämne ökar sin rörelse tillräckligt mycket kommer det att smälta och bli en vätska. En ytterligare ökning kommer att få vätskan att koka och bli en gas, även om vätskor också tenderar att avdunsta vid temperaturer långt under sina kokpunkter, eftersom vissa molekyler kommer att röra sig tillräckligt snabbt för att fly vätskan. Eftersom molekylerna i en gas rör sig snabbare än de i en vätska, har en gas mer energi. Det är därför svettning kyler ner människor: när svett avdunstar tar det bort värme från kroppen.
Utnyttja termisk energi
Användningen av termisk energi, antingen direkt eller för att generera elektricitet, drev på den industriella revolutionen. Det tillät storskalig produktion av järn och stål och producerade ångan för att driva turbinerna som används för att generera elektricitet. Mänskligheten har under en tid varit starkt beroende av förbränning av fossila bränslen, såsom olja, kol och naturgas, som källor till värmeenergi. Oron för föroreningar, klimatförändringar och icke-förnybarhet har dock skapat ett stort intresse för alternativ.
En källa som utnyttjas är geotermisk energi. Jorden har en smält kärna, som tros ha en temperatur på 5,432 9,032-3,000 5,000 °F (XNUMX XNUMX-XNUMX XNUMX °C). Denna höga temperatur kommer dels från värme som blivit över från bildningen av jorden, fångad under isolerande lager av berg i jordskorpan, och dels från sönderfallet av radioaktiva element. Mellan kärnan och skorpan ligger manteln, en varm, halvflytande region som driver plattektonik och vulkanutbrott. Det finns många ”hot spots” på jordskorpan där denna värme ligger nära ytan och kan utnyttjas på olika sätt.
Jordvärme kan användas antingen direkt, för att ge uppvärmning till bostäder eller för att generera el. Gejsrar är en färdig varmvattenkälla, men de flesta geotermiska projekt innebär att man borrar hål och pumpar in vatten i dem. Vattnet värms upp under ytan och pumpas ut igen för att ge energi. Geotermisk energi är strängt taget inte en förnybar energikälla, men det finns en så enorm tillgång på värme från härden att den inte kommer att ta slut inom överskådlig framtid.
Även om solenergi kan utnyttjas för att producera el direkt genom solpaneler, är ett annat område som utforskas solvärmeenergi. Detta innebär att fånga värme från solen för att ge ström eller varmvatten. Detta kan användas för centralvärme i hem, där vatten eller annan vätska pumpas genom en behållare som tar emot solljus, vilket höjer temperaturen. Alternativt kan värme från solen användas för att driva mekaniska enheter som genererar elektricitet, eller kan fokuseras av konvexa speglar på ett sådant sätt att de ger värme för matlagning eller andra ändamål. Denna idé kan också användas i större skala för att koka vatten som driver en turbin eller för att bygga en ”solugn” som kan uppnå de extrema temperaturer som krävs för vissa industriella processer.