Atomii și moleculele care alcătuiesc o substanță sunt în continuă mișcare. Această mișcare este cea care dă unui material temperatura sa: cu cât moleculele se mișcă mai mult, cu atât temperatura este mai mare. Energia termică este pur și simplu energia deținută de o substanță datorită mișcării atomilor sau moleculelor sale. Este important să nu confundați acest lucru cu căldura, care este energie care este transferată dintr-un loc în altul. Energia termică a fost mult timp exploatată de oameni pentru gătit, încălzire, producere de energie și industrie.
Radiație, Conducție și Convecție
Căldura este definită ca energie care este transferată dintr-o regiune în alta, curgând întotdeauna dintr-o zonă cu temperatură mai înaltă în cea mai scăzută. Poate fi transferat prin radiație infraroșie, o formă de radiație electromagnetică cu o gamă de lungimi de undă care se află între undele radio și lumina vizibilă. Aceasta interacționează cu materia pentru a determina moleculele să se miște cu viteze mai mari, ceea ce este văzut ca o creștere a temperaturii: materialul devine cald sau fierbinte, deoarece energia a fost transferată de la sursa radiației către materialul care o absoarbe. De exemplu, dacă un obiect este ținut lângă o flacără, acesta devine fierbinte din cauza radiației infraroșii de la flacără.
Transferul poate avea loc și prin alte două metode. În conducere, mișcarea moleculelor într-o regiune fierbinte determină o mișcare crescută în zonele mai reci, pe măsură ce moleculele se ciocnesc unele de altele. De exemplu, dacă o lingură de metal este ținută în flacără, celălalt capăt al lingurii va deveni în cele din urmă fierbinte.
Convecția implică mișcarea unei regiuni de gaz sau lichid care este mai caldă decât mediul înconjurător. De exemplu, Soarele încălzește pământul, care la rândul său încălzește aerul, care apoi se mișcă în sus, deoarece aerul cald este mai puțin dens decât aerul mai rece de deasupra. Convecția este cea care conduce sistemele meteorologice ale lumii, pe măsură ce aerul cald de la tropice se ridică și curge spre exterior.
Energie termică și materie
Energia termică poate aduce o schimbare a stării materiei. Dacă moleculele dintr-un solid își măresc suficient mișcarea, acesta se va topi pentru a deveni lichid. O creștere suplimentară va face ca lichidul să fiarbă și să devină un gaz, deși lichidele tind să se evapore și la temperaturi mult sub punctele lor de fierbere, deoarece unele molecule se vor mișca suficient de repede pentru a scăpa de lichid. Deoarece moleculele dintr-un gaz se mișcă mai repede decât cele dintr-un lichid, un gaz are mai multă energie. Acesta este motivul pentru care transpirația răcește oamenii: pe măsură ce transpirația se evaporă, ea ia căldură din corp.
Exploatarea energiei termice
Utilizarea energiei termice, fie direct, fie pentru a genera electricitate, a condus revoluția industrială. A permis producția pe scară largă de fier și oțel și a produs aburul pentru a antrena turbinele folosite pentru a genera electricitate. Omenirea a fost mult timp dependentă de arderea combustibililor fosili, precum petrolul, cărbunele și gazele naturale, ca surse de energie termică. Preocupările cu privire la poluare, schimbările climatice și neregenerarea au generat totuși mult interes pentru alternative.
O sursă exploatată este energia geotermală. Pământul are un nucleu topit, despre care se crede că are o temperatură de 5,432-9,032°F (3,000-5,000°C). Această temperatură ridicată provine parțial din căldura rămasă de la formarea Pământului, prinsă sub straturile izolatoare de rocă din scoarță și parțial din degradarea elementelor radioactive. Între nucleu și crustă se află mantaua, o regiune fierbinte, semi-lichid, care conduce tectonica plăcilor și erupțiile vulcanice. Există multe „puncte fierbinți” pe scoarța terestră unde această căldură este aproape de suprafață și poate fi valorificată în diferite moduri.
Căldura geotermală poate fi folosită fie direct, pentru a asigura încălzirea locuințelor, fie pentru a genera energie electrică. Gheizerele sunt o sursă gata făcută de apă caldă, dar majoritatea proiectelor geotermale implică forarea găurilor și pomparea apei în ele. Apa este încălzită sub suprafață și pompată din nou pentru a furniza energie. Energia geotermală nu este, strict vorbind, o sursă de energie regenerabilă, dar există o cantitate atât de mare de căldură din miez încât nu se va epuiza în viitorul apropiat.
Deși energia solară poate fi exploatată pentru a produce electricitate direct prin panouri solare, un alt domeniu care este explorat este energia solară termică. Aceasta implică captarea căldurii de la Soare pentru a furniza energie electrică sau apă caldă. Acesta poate fi folosit pentru încălzirea centrală a locuințelor, unde apa sau un alt fluid este pompat printr-un recipient care primește lumina soarelui, ridicându-i temperatura. Alternativ, căldura de la Soare poate fi folosită pentru a conduce dispozitive mecanice care generează electricitate sau poate fi focalizată de oglinzi convexe astfel încât să furnizeze căldură pentru gătit sau în alte scopuri. Această idee poate fi adoptată și la scară mai mare pentru a fierbe apa care antrenează o turbină sau pentru a construi un „cuptor solar” care poate atinge temperaturile extreme necesare unor procese industriale.