Energia termiko

1807an Thomas Youngek energia terminoa sortu zuen eta 1852an lord Kelvinek termodinamikan erabiltzea proposatu zuen. Rudolph Clausius eta William Rankineren lanetan agertu ziren lehen aldiz, XIX. mendearen bigarren erdian, eta, denborarekin, garai horretan erabili ohi ziren barruko lana, barne-lana eta energia intrintsekoa terminoak ordezkatu zituen. James Prescott Joulek bero zartatuaren eta bero sentikorraren definizioak sartuko lituzke.

Energia termikoak objektu baten barne-energia osoa adierazten du: energia molekular potentzial eta zinetikoaren batura. Tenperatura desberdineko bi objektu kontaktuan jartzen direnean, energia transferitzen da batetik bestera. Adibidez, ikatz beroak urdun ontzi batean erortzen uzten badira, energia termikoa ikatzetatik uretara transferituko da sistemak oreka termikoa izeneko baldintza egonkor bat lortu arte.

Termodinamikan, sistema baten barne energia bezala ere ezagutzen den energia termikoa bere partikula guztien energia zinetikoen batura da, gehi hauen arteko elkarrekintzako energia potentzial guztien batura.1 Energia zinetikoa eta potentziala energia forma mikroskopikoak dira, hau da, sistema baten egitura molekularrarekin eta jarduera molekularraren mailarekin erlazionatzen dira, eta kanpoko erreferentzia esparruetatik independenteak dira. Barne-energiak ez du barne hartzen sistemaren eta ingurunearen arteko elkarrekintzak eragindako energia potentziala; beraz, substantzia baten barne-energiak ez du barne hartzen substantzia horrek bere posizio makroskopikoaren edo

Teoria atomikoaren arabera, energia termikoak azkar mugitzen diren molekulen energia zinetikoa irudikatzen du. Tenperatura igotzea molekulen batez besteko energia zinetikoa handitzeari dagokio. Energia termikoak objektu bat osatzen duten atomo eta molekulen energia irudikatzen duenez, sarritan barne energia deitzen zaio. Ikuspuntu atomikotik, barneko energiak, molekulen energia zinetikoa ez ezik, energia potentziala ere har dezake (oro har, izaera elektrikokoa), atomoek molekulen barruan dituzten posizio erlatiboen ondorioz. Maila makroskopikoan, barne-energia indar ez-kontserbatzaileei dagokie, hala nola marruskadurari. Maila atomikoan, ordea, energia partzialki zinetikoa eta potentziala da, eta dagozkion indarrak kontserbatzaileak dira.

${\displaystyle U}$ ikurra erabiltzen da barne-energiarako. Sistemaren egoera aldatzen den bitartean, barne-energia hasierako ${\displaystyle U_{1}}$ balio batetik ${\displaystyle U_{2}}$ batera alda daiteke. Barne-energiaren aldaketa honela adierazten da: ${\displaystyle \Delta U=U_{2}-U_{1}}$

Sistema bati ${\displaystyle Q}$ bero-kantitate jakin bat gehitzen zaionean eta horrek prozesuan zehar lanik egiten ez duenean (beraz, ${\displaystyle W=0}$), barne-energia ${\displaystyle Q}$ kantitate berean handitzen da; hau da, ${\displaystyle \Delta U=Q}$. Honek ez du prozesuan zehar lanik egiten (beraz ${\displaystyle W=0}$), barne energia ${\displaystyle Q}$ kantitatean handitzen da; hau da, ${\displaystyle \Delta U=-W}$ Delta Lana bezainbeste bero-transferentzia badago, zer da barne-energiaren guztizko aldaketa?

${\displaystyle U_{2}-U_{1}=\Delta U=Q-W}$ (termodinamikaren lehen legea)

Hori honela berregokitu daiteke:

${\displaystyle Q=\Delta U+W}$

Horrek esan nahi du sistema bati ${\displaystyle Q}$ beroa gehitzen zaionean, energia agregatu horren zati bat sisteman mantentzen dela, bere barne-energia ${\displaystyle \Delta U}$ kopuru batean mugituz; gainontzekoa sistematik ateratzen da bere ingurunearen aurka ${\displaystyle W}$ lan bat egiten duenean. ${\displaystyle W}$ eta ${\displaystyle Q}$ positiboak, negatiboak edo zero izan daitezkeenez, ${\displaystyle \Delta U}$ positiboa, negatiboa edo zero izan daiteke hainbat prozesutarako. Termodinamikaren lehen legea energiaren kontserbazioaren printzipioaren orokortze bat da, energiaren transferentzia bero gisa eta lan mekaniko gisa sartzeko.

Analisi termodinamikoan, askotan, sistema baten energia osoa osatzen duten energia forma ezberdinetarako bi talde kontuan hartzea baliagarria da: makroskopikoak eta mikroskopikoak. Energia-forma makroskopikoak dira sistema osotasun bat dutenak kanpoko erreferentzia-esparru jakin batekin lotuta, hala nola energia zinetiko eta potentzialekin. Energia-forma mikroskopikoak sistema baten egitura molekularrarekin eta jarduera molekularraren mailarekin erlazionatzen dira, eta kanpoko erreferentzia-esparruetatik independenteak dira. Energia-forma mikroskopiko guztien baturari sistema baten barne-energia deitzen zaio eta ${\displaystyle U}$ bidez adierazten da.

Barne-energia hobeto ulertzeko, sistemak maila molekularrean aztertzen dira. Gas molekulak espazioan abiadura jakin batekin mugitzen dira; beraz, energia zinetiko pixka bat dute. Translazio-energia esaten zaio horri. Molekula poliatomikoen atomoek ardatz batekiko biratzen dute eta errotazio honekin lotutako energia errotazio energia zinetikoa da. Mota honetako molekulen atomoek, euren masa zentro komunarekiko dardara egin lezakete, orduan, "Aldaera" mugimendu honen energia, energia zinetiko bibratorioa izango litzateke. Gasen kasuan, energia zinetikoa batez ere translazio eta errotazio mugimenduengatik gertatzen da, non bibrazio mugimendua tenperatura altuetan esanguratsu bihurtzen den. Atomo bateko elektroiek nukleoaren inguruan biratzen dute eta, beraz, errotazio energia zinetikoa dute. Kanpoko orbitetako elektroiek energia zinetiko handiagoak dituzte. Partikula hauek ere euren ardatzen inguruan biraka dabiltzanez, mugimendu honekin erlazionatutako energia biraketa-energia da. Atomo baten nukleoan dauden beste partikulek ere biraketa-energia dute. Molekulen energia zinetikoarekin erlazionatutako sistema baten barneko energiaren zatiari energia sentikorra deitzen zaio (edo molekulen energia zinetikoa). Molekulen batez besteko abiadura eta jarduera-maila gasaren tenperaturarekiko proportzionalak dira; beraz, tenperatura altuagoetan molekulek energia zinetiko altuagoak dituzte eta, ondorioz, sistemak barne-energia altuagoa du. Substantzia baten molekulen arteko lotura-indarrekin, molekula baten barruko atomoen arteko loturarekin eta atomo baten barneko partikulen eta bere nukleoaren arteko loturarekin ere lotzen da barne-energia. Molekulak elkarrekin lotzen dituzten indarrak, espero bezala, sendoagoak dira solidoetan, eta ahulagoak gasetan. Solido edo likido baten molekulei energia nahikoa gehitzen bazaie, hauek indar molekularrak garaitu eta banandu egiten dira, substantzia gas bihurtuz; fase aldaketa prozesu bat da. Energia agregatuaren ondorioz, gas-faseko sistema bat fase solido edo likidokoa baino barne-energia maila altuagoan dago. Sistema baten fasearekin lotutako barneko energiari energia latentea deitzen zaio. Fase-aldaketaren prozesua gerta daiteke sistema baten konposizio kimikoa aldatu gabe. Benetako arazo gehienak kategoria honetan kokatzen dira, eta, beraz, ez da beharrezkoa atomoek molekula batean dituzten lotura-indarrei arreta jartzea. Atomo batek, bere nukleoan, karga positiboa duten neutroiak eta protoiak ditu, bero-fluxuaren indar handien bidez elkarri lotuak, baita bere inguruan orbitatzen modu negatiboan kargatutako elektroiak ere. Molekula bateko lotura atomikoekin lotutako barneko energiari energia kimikoa esaten zaio. Erreakzio kimiko batean, adibidez, errekuntza-prozesu batean, lotura kimiko batzuk suntsitu eta beste batzuk eratu egiten dira, eta, ondorioz, barneko energiak aldaketa bat izaten du. Indar nuklearrak elektroiak nukleoarekin lotzen dituztenak baino askoz handiagoak dira. Atomoaren nukleoaren barneko lotura indartsuekin lotutako energia kopuru handi honi energia nuklearra deitzen zaio.

Gas ideal baten molekulen ${\displaystyle E_{c}}$ translazio-energia zinetikoa t tenperatura absolutuarekin lotuta dago.

${\displaystyle E_{c}={\frac {3}{2}}nRT}$

n gasaren mol kopurua da eta R gasen konstante unibertsala. Translazio-energia hori gasaren barne-energia osoa dela jotzen bada, orduan ${\displaystyle U=E_{c}}$:

${\displaystyle U={\frac {3}{2}}nRT}$

Kasu honetan, gas ideal baten barne-energia bere tenperaturaren eta mol kopuruaren araberakoa da, ez presioaren eta bolumenaren araberakoa. Molekulek, translazio energia zinetikoaz gain, errotazio energia bezalako beste energia mota batzuk badituzte, barne energia aurreko ekuazioak adierazitakoa baino handiagoa izango da. Hala ere, ekipartizioaren teoremaren arabera, edozein askatasun mailarekin lotutako batez besteko energia ${\displaystyle {\frac {1}{2}}kT}$ molekula bakoitzeko edo ${\displaystyle {\frac {1}{2}}RT}$ mol bakoitzeko izango da.

Teoria zinetikoak tenperatura, beroa eta barne energia argi bereiztea ahalbidetzen du. Tenperatura (kelvinean) banakako molekulen energia zinetikoaren batez besteko neurria da. Barneko energia molekulek objektuaren barruan duten energia totalari dagokio. Honela, masa berdineko bi burdin lingote berok tenperatura bera izan dezakete, baina bi lingotek bakar baten barne energiaren bikoitza dute. Beroa objektu batetik besterako energia-transferentzia da, tenperatura-diferentzia baten ondorioz. Bi objekturen arteko bero-fluxuaren norabidea bere tenperaturaren araberakoa da, ez bakoitzak zenbat energia duen. Horrela, 50 g ur 30 ° C-tan eta 200 g ur 25 ° C-tan elkar ukitzen (edo nahasten) badira, beroa 30 ° C-tan uretatik 25 ° C-tan isurtzen da, nahiz eta uraren barne energia 25 ° C-tan askoz ere handiagoa izan, energia horren kantitate handiagoa baitago. Era berean, bereizi egin behar dira objektu baten osotasun baten energia zinetiko makroskopikoa eta haren molekulen energia zinetiko mikroskopikoak, horiek osatzen baitute objektuaren barne-energia. Objektu baten energia zinetikoa, molekulen mugimendu ordenatuarekin lotutako energia forma antolatu bat da, norabide zuzen batean edo ardatz baten inguruan. Aldiz, molekulen energia zinetikoak erabat ausazkoak eta oso desantolatuak dira.

Energia termikoa transferitzeko hiru mekanismo daude: kondukzioa, konbekzioa eta erradiazioa.

• Eroatea energia bero-formako transmisioa da, gorputz baten atal batetik gorputz bereko beste atal batera, edo gorputz batetik gorputz horrekin kontaktu fisikoa duen beste gorputz batera, gorputzeko partikulen desplazamendu nabarmenik gabe.
• Konbekzioa fluido, gas edo likido baten barruan puntu batetik bestera beroa transmititzea da, fluidoaren zati bat beste batekin nahastuz. Konbekzio naturalean, fluidoaren mugimendua tenperatura-desberdintasunen ondoriozko dentsitate-desberdintasunen ondorio da erabat; konbekzio behartuan, mugimendua bitarteko mekanikoen bidez gertatzen da. Behartutako abiadura erlatiboki baxua denean, konbekzio libreko faktoreek, tenperatura eta dentsitate diferentziak kasu, eragin handia izan dezaketela ulertu behar da.
• Erradiazioa energia termikoaren transmisioa da gorputz batetik bestera, uhinak espazioan zehar mugituz harekin kontaktuan ez dagoena.

Beroa transmititzeko mekanismo guztietan, gorputz baten hozte-abiadura gorputzaren eta inguratzen duen ingurunearen arteko tenperatura-aldearekiko proportzionala da, gutxi gorabehera. Newtonen hozte legea bezala ezagutzen da. Egoera erreal askotan, beroa transferitzeko hiru mekanismoak aldi berean aurkezten dira, horietako batzuk besteak baino gehiago izan daitezkeen arren.

• Energia
• Zentral termikoa
• Termodinamika
• Erradiazio termikoa