Τα άτομα και τα μόρια που συνθέτουν μια ουσία βρίσκονται σε συνεχή κίνηση. Αυτή η κίνηση είναι που δίνει σε ένα υλικό τη θερμοκρασία του: όσο περισσότερο κινούνται τα μόρια, τόσο υψηλότερη είναι η θερμοκρασία. Η θερμική ενέργεια είναι απλώς η ενέργεια που κατέχει μια ουσία λόγω της κίνησης των ατόμων ή των μορίων της. Είναι σημαντικό να μην το συγχέουμε με τη θερμότητα, η οποία είναι ενέργεια που μεταφέρεται από το ένα μέρος στο άλλο. Η θερμική ενέργεια χρησιμοποιείται εδώ και πολύ καιρό από τους ανθρώπους για μαγείρεμα, θέρμανση, παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας και βιομηχανία.
Ακτινοβολία, Αγωγή και Συναγωγή
Ως θερμότητα ορίζεται η ενέργεια που μεταφέρεται από τη μια περιοχή στην άλλη, ρέοντας πάντα από μια περιοχή υψηλότερης σε χαμηλότερη θερμοκρασία. Μπορεί να μεταφερθεί με υπέρυθρη ακτινοβολία, μια μορφή ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας με ένα εύρος μηκών κύματος που βρίσκεται μεταξύ των ραδιοκυμάτων και του ορατού φωτός. Αυτό αλληλεπιδρά με την ύλη και προκαλεί τα μόρια να κινούνται με μεγαλύτερες ταχύτητες, κάτι που θεωρείται ως αύξηση της θερμοκρασίας: το υλικό γίνεται ζεστό ή ζεστό, επειδή η ενέργεια έχει μεταφερθεί από την πηγή της ακτινοβολίας στο υλικό που την απορροφά. Για παράδειγμα, εάν ένα αντικείμενο κρατηθεί κοντά σε φλόγα, θερμαίνεται λόγω της υπέρυθρης ακτινοβολίας από τη φλόγα.
Η μεταφορά μπορεί επίσης να γίνει με δύο άλλους τρόπους. Στην αγωγιμότητα, η κίνηση των μορίων σε μια θερμή περιοχή προκαλεί αυξημένη κίνηση σε ψυχρότερες περιοχές καθώς τα μόρια συγκρούονται μεταξύ τους. Για παράδειγμα, εάν ένα μεταλλικό κουτάλι κρατηθεί σε φλόγα, η άλλη άκρη του κουταλιού τελικά θα ζεσταθεί.
Η μεταφορά περιλαμβάνει την κίνηση μιας περιοχής αερίου ή υγρού που είναι θερμότερη από το περιβάλλον της. Για παράδειγμα, ο Ήλιος θερμαίνει το έδαφος, το οποίο με τη σειρά του θερμαίνει τον αέρα, ο οποίος στη συνέχεια κινείται προς τα πάνω, καθώς ο θερμός αέρας είναι λιγότερο πυκνός από τον ψυχρότερο αέρα από πάνω. Είναι η συναγωγή που οδηγεί τα καιρικά συστήματα του κόσμου, καθώς ο θερμός αέρας από τις τροπικές περιοχές ανεβαίνει και ρέει προς τα έξω.
Θερμική Ενέργεια και Ύλη
Η θερμική ενέργεια μπορεί να επιφέρει μια αλλαγή στην κατάσταση της ύλης. Εάν τα μόρια ενός στερεού αυξήσουν την κίνησή τους αρκετά, θα λιώσει για να γίνει υγρό. Μια περαιτέρω αύξηση θα κάνει το υγρό να βράσει και να γίνει αέριο, αν και τα υγρά τείνουν επίσης να εξατμίζονται σε θερμοκρασίες πολύ κάτω από τα σημεία βρασμού τους, καθώς ορισμένα μόρια θα κινούνται αρκετά γρήγορα για να διαφύγουν από το υγρό. Δεδομένου ότι τα μόρια σε ένα αέριο κινούνται πιο γρήγορα από αυτά σε ένα υγρό, ένα αέριο έχει περισσότερη ενέργεια. Αυτός είναι ο λόγος που η εφίδρωση δροσίζει τους ανθρώπους: καθώς ο ιδρώτας εξατμίζεται, αφαιρεί τη θερμότητα από το σώμα.
Αξιοποίηση της Θερμικής Ενέργειας
Η χρήση της θερμικής ενέργειας, είτε άμεσα είτε για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, οδήγησε τη βιομηχανική επανάσταση. Επέτρεψε τη μεγάλης κλίμακας παραγωγή σιδήρου και χάλυβα και παρήγαγε τον ατμό για να κινήσει τους στρόβιλους που χρησιμοποιούνται για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Η ανθρωπότητα για κάποιο διάστημα εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από την καύση ορυκτών καυσίμων, όπως το πετρέλαιο, ο άνθρακας και το φυσικό αέριο, ως πηγές θερμικής ενέργειας. Ωστόσο, οι ανησυχίες για τη ρύπανση, την κλιματική αλλαγή και τη μη ανανεώσιμη ενέργεια έχουν προκαλέσει μεγάλο ενδιαφέρον για εναλλακτικές λύσεις.
Μία πηγή που αξιοποιείται είναι η γεωθερμική ενέργεια. Η Γη έχει έναν λιωμένο πυρήνα, ο οποίος πιστεύεται ότι έχει θερμοκρασία 5,432-9,032°F (3,000-5,000°C). Αυτή η υψηλή θερμοκρασία προέρχεται εν μέρει από τη θερμότητα που απομένει από το σχηματισμό της Γης, παγιδευμένη κάτω από μονωτικά στρώματα πετρωμάτων στον φλοιό, και εν μέρει από τη διάσπαση ραδιενεργών στοιχείων. Μεταξύ του πυρήνα και του φλοιού βρίσκεται ο μανδύας, μια θερμή, ημι-υγρή περιοχή που οδηγεί τις τεκτονικές πλάκες και τις ηφαιστειακές εκρήξεις. Υπάρχουν πολλά «καυτά σημεία» στον φλοιό της Γης όπου αυτή η θερμότητα βρίσκεται κοντά στην επιφάνεια και μπορεί να αξιοποιηθεί με διάφορους τρόπους.
Η γεωθερμική θερμότητα μπορεί να χρησιμοποιηθεί είτε απευθείας, είτε για θέρμανση κατοικιών είτε για παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Οι θερμοπίδακες είναι μια έτοιμη πηγή ζεστού νερού, αλλά τα περισσότερα γεωθερμικά έργα περιλαμβάνουν τη διάνοιξη οπών και την άντληση νερού σε αυτές. Το νερό θερμαίνεται κάτω από την επιφάνεια και αντλείται ξανά για να παρέχει ενέργεια. Η γεωθερμική ενέργεια δεν είναι, αυστηρά, μια ανανεώσιμη πηγή ενέργειας, αλλά υπάρχει τόσο τεράστια παροχή θερμότητας από τον πυρήνα που δεν θα εξαντληθεί στο άμεσο μέλλον.
Αν και η ηλιακή ενέργεια μπορεί να αξιοποιηθεί για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας απευθείας μέσω ηλιακών συλλεκτών, ένας άλλος τομέας που διερευνάται είναι η ηλιακή θερμική ενέργεια. Αυτό περιλαμβάνει τη σύλληψη θερμότητας από τον Ήλιο για παροχή ενέργειας ή ζεστού νερού. Αυτό μπορεί να χρησιμοποιηθεί για κεντρική θέρμανση σε σπίτια, όπου το νερό ή άλλο υγρό αντλείται μέσω ενός δοχείου που δέχεται ηλιακό φως, αυξάνοντας τη θερμοκρασία του. Εναλλακτικά, η θερμότητα από τον Ήλιο μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την οδήγηση μηχανικών συσκευών που παράγουν ηλεκτρισμό ή μπορεί να εστιαστεί από κυρτά κάτοπτρα με τέτοιο τρόπο ώστε να παρέχει θερμότητα για μαγείρεμα ή άλλους σκοπούς. Αυτή η ιδέα μπορεί επίσης να υιοθετηθεί σε μεγαλύτερη κλίμακα για να βράσει νερό που κινεί έναν στρόβιλο ή για την κατασκευή ενός «ηλιακού φούρνου» που μπορεί να επιτύχει τις ακραίες θερμοκρασίες που απαιτούνται για ορισμένες βιομηχανικές διεργασίες.