Aineen muodostavat atomit ja molekyylit ovat jatkuvassa liikkeessä. Tämä liike antaa materiaalille lämpötilan: mitä enemmän molekyylit liikkuvat, sitä korkeampi lämpötila. Lämpöenergia on yksinkertaisesti aineen hallussa olevaa energiaa, joka johtuu sen atomien tai molekyylien liikkeestä. On tärkeää, ettei tätä sekoiteta lämmön kanssa, joka on energiaa, joka siirretään paikasta toiseen. Ihmiset ovat pitkään käyttäneet lämpöenergiaa ruoanlaittoon, lämmitykseen, sähköntuotantoon ja teollisuuteen.
Säteily, johtuminen ja konvektio
Lämpö määritellään energiaksi, joka siirtyy alueelta toiselle ja virtaa aina korkeammalta lämpötilalta alhaisemmalle alueelle. Se voidaan siirtää infrapunasäteilyllä, sähkömagneettisen säteilyn muodolla, jolla on aallonpituusalue, joka sijaitsee radioaaltojen ja näkyvän valon välillä. Tämä vuorovaikutuksessa aineen kanssa saa molekyylit liikkumaan suuremmilla nopeuksilla, mikä nähdään lämpötilan nousuna: materiaali lämpenee tai kuumenee, koska energia on siirtynyt säteilyn lähteestä materiaaliin, joka absorboi sen. Jos esimerkiksi esine pidetään lähellä liekkiä, se kuumenee liekin infrapunasäteilyn vuoksi.
Siirto voi tapahtua myös kahdella muulla tavalla. Johtamisessa molekyylien liike kuumalla alueella lisää liikettä viileämmillä alueilla, kun molekyylit törmäävät toisiinsa. Jos esimerkiksi metallilusikkaa pidetään liekissä, lusikan toinen pää kuumenee lopulta.
Kiertoilma sisältää ympäristönsä lämpimämmän kaasu- tai nestealueen liikkeen. Esimerkiksi aurinko lämmittää maata, joka puolestaan lämmittää ilmaa, joka sitten liikkuu ylöspäin, koska lämmin ilma on vähemmän tiheää kuin yllä oleva viileämpi ilma. Konvektio ohjaa maailman sääjärjestelmiä, kun tropiikin lämmin ilma nousee ja virtaa ulospäin.
Lämpöenergia ja aine
Lämpöenergia voi muuttaa aineen tilaa. Jos kiinteän aineen molekyylit lisäävät liikettäan riittävästi, se sulaa nestemäiseksi. Lisääntyminen saa nesteen kiehumaan ja siitä tulee kaasua, vaikka nesteillä on myös taipumus haihtua lämpötiloissa, jotka ovat selvästi niiden kiehumispisteiden alapuolella, koska jotkut molekyylit liikkuvat riittävän nopeasti paetakseen nestettä. Koska kaasun molekyylit liikkuvat nopeammin kuin nesteen molekyylit, kaasulla on enemmän energiaa. Siksi hikoilu jäähdyttää ihmisiä: kun hiki haihtuu, se poistaa lämpöä kehosta.
Lämpöenergian hyödyntäminen
Lämpöenergian käyttö joko suoraan tai sähkön tuottamiseen ajoi teollisen vallankumouksen. Se mahdollisti raudan ja teräksen laajamittaisen tuotannon ja tuotti höyryä sähköä tuottavien turbiinien käyttämiseksi. Ihmiskunta on jo jonkin aikaa ollut voimakkaasti riippuvainen fossiilisten polttoaineiden, kuten öljyn, hiilen ja maakaasun, polttamisesta lämpöenergian lähteinä. Huoli saastumisesta, ilmastonmuutoksesta ja uusiutumattomuudesta on kuitenkin herättänyt paljon kiinnostusta vaihtoehtoja kohtaan.
Yksi hyödynnettävä lähde on geoterminen energia. Maapallolla on sula ydin, jonka lämpötilan uskotaan olevan 5,432 9,032–3,000 5,000 ° F (XNUMX XNUMX–XNUMX XNUMX ° C). Tämä korkea lämpötila johtuu osittain maapallon muodostumisesta jääneestä lämmöstä, joka on jäänyt kuoren eristävien kivikerrosten alle, ja osittain radioaktiivisten elementtien hajoamisesta. Ytimen ja kuoren välissä on vaippa, kuuma, puoliksi nestemäinen alue, joka ajaa levyteknologiaa ja tulivuorenpurkauksia. Maankuoressa on monia ”kuumia kohtia”, joissa tämä lämpö on lähellä pintaa ja jota voidaan hyödyntää eri tavoin.
Maalämpöä voidaan käyttää joko suoraan, asuntojen lämmitykseen tai sähkön tuottamiseen. Geyserit ovat valmis kuuman veden lähde, mutta useimmat maalämpöprojektit sisältävät reikien poraamisen ja veden pumppaamisen niihin. Vesi lämmitetään pinnan alle ja pumpataan uudelleen ulos energian tuottamiseksi. Geoterminen energia ei ole tarkasti ottaen uusiutuva energialähde, mutta ytimestä tulee niin suuri lämmön tarjonta, että se ei loppuu lähitulevaisuudessa.
Vaikka aurinkoenergiaa voidaan hyödyntää sähkön tuottamiseen suoraan aurinkopaneelien kautta, toinen tutkittava alue on aurinkoenergia. Tähän sisältyy auringon lämmön talteenotto virran tai kuuman veden tuottamiseksi. Tätä voidaan käyttää keskuslämmitykseen kodeissa, joissa vettä tai muuta nestettä pumpataan säiliön läpi, joka vastaanottaa auringonvaloa ja nostaa sen lämpötilaa. Vaihtoehtoisesti Auringon lämpöä voidaan käyttää sähköä tuottavien mekaanisten laitteiden käyttämiseen, tai se voidaan kohdistaa kuperalla peilillä siten, että se tuottaa lämpöä ruoanlaittoon tai muihin tarkoituksiin. Tämä ajatus voidaan myös ottaa käyttöön laajemmassa mittakaavassa turbiinin vetävän veden keittämiseksi tai “aurinkouunin” rakentamiseksi, joka voi saavuttaa joidenkin teollisuusprosessien edellyttämät äärilämpötilat.