Physik

Was ist thermische Energie?

Wärmeenergie, oft auch als thermische Energie bezeichnet, ist eine Art von Energie, die durch die Bewegung der Bestandteile eines Atoms entsteht. Daher sind Wärme und Energie zwei Begriffe, die untrennbar miteinander verbunden sind.

Eine einfache Definition von Wärme oder thermischer Energie ist die Energie, die von einem beliebigen Element in Form von Wärme abgegeben wird. Dieses Phänomen entsteht durch die Bewegung der Teilchen eines Materials.

Wenn die Temperatur eines Stoffes steigt, beschleunigen sich seine Teilchen, wodurch die Wärmeenergie zunimmt. Infolgedessen geben die Teilchen einen Teil ihrer Energie an die Außenwelt ab.

Eines der Merkmale von Wärmeenergie ist, dass sie durch Kontakt oder Berührung von einem Stoff auf einen anderen übertragen wird. Indem ein heißer Gegenstand in die Nähe eines anderen mit einer niedrigeren Temperatur gebracht wird, wird Wärmeenergie zwischen den beiden Elementen übertragen. Dieser kontinuierliche Energiefluss in Form von Wärme findet statt, bis beide Komponenten ein thermodynamisches Gleichgewicht erreicht haben.

Wärmeenergie ist auch eine wesentliche Energiequelle für die Erzeugung anderer Energiearten, die für die Gesellschaft von Nutzen sind. Daher nutzen verschiedene Kraftwerkstypen Wärme oder thermische Energie, um z. B. elektrische Energie zu erzeugen.

Beispiele für thermische Energie mit Bildern

Als thermische Energiequelle ist die Sonne eines der bekanntesten und einfachsten Beispiele für thermische oder Wärmeenergie. Die Sonne ist eine Quelle thermischer Energie, weil die von ihr ausgesandte Sonnenstrahlung die Erdoberfläche und die dort befindlichen Gegenstände und Lebewesen erwärmt. Diese Wärme beschleunigt Teilchen auf atomarer Ebene und erhöht die Wärmeenergie von Materialien, die der Sonnenstrahlung ausgesetzt sind.

Sonnenkollektoren

Thermische Energie

Sonnenkollektoren fangen die Sonnenenergie in Form von Wärme ein.

Auf diese Weise kann die thermische Energie, die ein Solarmodul bei Sonneneinstrahlung aufnimmt, gespeichert und in andere Energieformen, wie z. B. elektrische Energie, umgewandelt werden.

Erwärmung von Wasser

Wenn ein Behälter mit Wasser in die Nähe einer Wärmequelle gebracht wird, steigt die Temperatur des Wassers an.

Mit anderen Worten: Durch den Kontakt mit einem anderen Gegenstand mit höherer Temperatur steigt die Wärmeenergie des Wassers. Wenn die innere Wärmeenergie des Wassers einen bestimmten Wert erreicht, kann sich die Zusammensetzung des Wassers aufgrund der enormen Wärmeenergie, die in den Wassermolekülen enthalten ist, ändern (von flüssig zu gasförmig).

Thermische Energie

Reibung

Thermische Energie

Durch Reibung an der Oberfläche zweier Materialien oder Gegenstände wird die kinetische Energie der Bewegung in Wärmeenergie umgewandelt.

Deshalb werden unsere Hände heiß, wenn wir sie aggressiv reiben; das Gleiche gilt für alle Arten von Materialien.

Elektro-Ofen

Der Betrieb eines Ofens hängt von der Umwandlung von elektrischer Energie in Wärmeenergie ab.

Wenn ein Elektrobackofen eingeschaltet wird, werden seine Widerstände (Bauteile, die elektrische Energie in Wärme umwandeln können) durch elektrischen Strom zur Abgabe von Wärmeenergie veranlasst, die in Kontakt mit den Lebensmitteln die zum Kochen erforderliche Wärme liefert.

Thermische Energie

Wie wird thermische Energie erzeugt?

Wenn eine äußere Einwirkung Wärme auf ein Element überträgt, wird Wärme oder thermische Energie erzeugt.

Das Element, das die Wärme aufnimmt, erhöht seine innere Energie, was dazu führt, dass sich seine Teilchen schneller bewegen. Die Entstehung von Wärmeenergie hängt also von der Bewegung der Teilchen auf atomarer Ebene ab.

Um diese Energieform zu vermitteln, ist es wichtig zu verstehen, wie Wärmeenergie funktioniert.

Wie funktioniert sie?

Um zu verstehen, wie Wärmeenergie oder thermische Energie funktioniert, muss man zunächst die thermodynamischen Gesetze verstehen, die sie regeln.

So stößt man auf drei thermodynamische Ereignisse, die die Prinzipien dieser Art von Energie in Form von Wärme erklären:

Konduktion: Es handelt sich um die Übertragung von Wärmeenergie, wenn zwei feste Komponenten mit unterschiedlichem Wärmeenergieniveau (unterschiedlichen Temperaturen) in Kontakt kommen. Dies geschieht, wenn das Element mit großer Wärmeenergie Wärme an das Element mit geringerer Wärmeenergie (kälter) überträgt. Wenn beide Komponenten ein thermisches Gleichgewicht erreichen, ist die Energieübertragung abgeschlossen.

Strahlung: Jede Quelle elektromagnetischer Strahlung, die Wärmeenergie übertragen kann, wird als Strahlungsquelle bezeichnet. Das Phänomen der Strahlung beruht auf der Wärmeübertragung durch Infrarotwellen, die von natürlichen und künstlichen Quellen wie der Sonne oder Glühlampen abgegeben werden.

Konvektion: Durch Konvektion wird Wärme- oder Hitzeenergie durch Flüssigkeiten und Gase übertragen. Wenn die Wärmeenergie eines Teilchens zunimmt, nimmt seine Dichte ab, weil sich seine Elektronen auf weiter außen liegenden Bahnen bewegen. Daher haben Gase und Flüssigkeiten mit höherer Wärmeenergie immer eine geringere Dichte als solche mit geringerer Wärmeenergie.

Typ

Wie wir gesehen haben, kann sich Wärmeenergie auf verschiedene Weise darstellen. Die Umwandlung von Wärme oder thermischer Energie ist daher in der Zivilisation weit verbreitet. Wir werden uns nun einige verschiedene Formen von Wärme- oder Hitzeenergie ansehen.

Geothermische Energie

Geothermische Energie ist eine Art von Wärmeenergie, die, wie der Name schon sagt, aus dem Erdreich stammt. Das Erdreich ist eine thermische Energiequelle, da es die Wärme der Sonne durch Strahlung absorbiert, aber auch Wärmeenergie durch Leitung aus dem Erdkern aufnimmt. Diese Art von Energie ist heute sehr beliebt, da es sich um eine erneuerbare Energiequelle handelt, die die Haushalte ohne Strom mit Wärme und Warmwasser versorgt.

Photothermische Solarenergie

Bei der photothermischen Solarenergie handelt es sich um thermische Energie, bei der die Sonnenstrahlung in Wärme umgewandelt, aufgefangen, weitergeleitet und mit verschiedenen Methoden zur Erzeugung von Wärme oder Strom genutzt wird.

Thermoelektrische Energie

Wenn Wasser auf hohe Temperaturen erhitzt wird, wird Energie erzeugt. Wenn Wasser erhitzt wird, erhöht es seine Temperatur bis zu dem Punkt, an dem Wärmeenergie freigesetzt wird, die thermoelektrische Kraftwerke nutzen, um Strom aus Wasser zu erzeugen.

Verwendet

Die Wärmeenergie hat verschiedene Anwendungsmöglichkeiten für den Menschen; seit der Antike ist diese Energie mit menschlichen Aktivitäten verbunden.

  • Thermische Energie ist die Wärmequelle in vielen Häusern und Klimaanlagen.
  • Thermische Energie wird häufig zur Stromerzeugung in Kraftwerken genutzt.
  • Viele elektronische Geräte enthalten Komponenten, die Wärmeenergie durch Strahlung auffangen können, um ihre Batterien zu laden.
  • Der Mensch nutzt Wärmeenergie für die Zubereitung von Speisen.
  • Wärmeenergie wird zum Betrieb vieler Haushaltsgeräte wie Kühlschränke und Klimaanlagen verwendet.

Die Vorteile und Nachteile

Die Nutzung von Wärmeenergie hat mehrere Vor- und Nachteile. Jeder von ihnen wird im Folgenden näher erörtert.

Vorteile

  • Die meisten Lebewesen benötigen kalorische Energie, um zu überleben. Dies gilt insbesondere für Kaltblüter.
  • Sie ermöglicht die Erzeugung von Elektrizität.
  • Sie ist eine erneuerbare Energiequelle.
  • Es gibt eine Vielzahl von Quellen zur Gewinnung von Wärmeenergie.

Nachteile

  • Bei der Energieerzeugung werden in der Regel CO2 und andere schädliche Gase in die Atmosphäre ausgestoßen.
  • Die Verwendung fossiler Brennstoffe zur Erzeugung von Wärmeenergie hat negative Auswirkungen auf die Umwelt.
  • Die anfänglichen Investitionskosten für Wärmeenergie-Heizsysteme jeglicher Art sind wesentlich höher als für andere Arten, die verschiedene Energiequellen nutzen.
  • Wenn thermoelektrische Kraftwerke heißes Wasser mit hohen Temperaturen freisetzen, hat dies Auswirkungen auf terrestrische und fluviale Ökosysteme.

Mathematische Formel der thermischen Energie

Thermische Energie wird in der Physik, Chemie und Thermodynamik für zahlreiche Berechnungen, Experimente und Konstruktionen genutzt.

Die folgende mathematische Formel wird zur Berechnung der thermischen Energie verwendet:

Q=MC(Ti-Tf)

Q= Wärmeenergie des Systems oder Elements.

M= Masse des Stoffes.

C= Spezifische Wärme.

Ti= Anfangstemperatur des Systems.

Tf= Endtemperatur des Systems.

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