Die Atome und Moleküle, aus denen eine Substanz besteht, sind in ständiger Bewegung. Diese Bewegung gibt einem Material seine Temperatur: Je mehr sich die Moleküle bewegen, desto höher ist die Temperatur. Thermische Energie ist einfach die Energie, die ein Stoff aufgrund der Bewegung seiner Atome oder Moleküle besitzt. Es ist wichtig, dies nicht mit Wärme zu verwechseln, bei der es sich um Energie handelt, die von einem Ort zum anderen übertragen wird. Wärmeenergie wird seit langem vom Menschen zum Kochen, Heizen, zur Stromerzeugung und in der Industrie genutzt.
Strahlung, Leitung und Konvektion
Wärme ist definiert als Energie, die von einer Region in eine andere übertragen wird und immer von einem Bereich mit höherer in einen niedrigeren Temperaturbereich fließt. Es kann durch Infrarotstrahlung übertragen werden, eine Form elektromagnetischer Strahlung mit einem Wellenlängenbereich, der zwischen Radiowellen und sichtbarem Licht liegt. Dieses interagiert mit Materie und bewirkt, dass sich Moleküle mit höherer Geschwindigkeit bewegen, was als Temperaturanstieg wahrgenommen wird: Das Material wird warm oder heiß, weil Energie von der Strahlungsquelle auf das Material übertragen wurde, das es absorbiert. Wenn beispielsweise ein Gegenstand in der Nähe einer Flamme gehalten wird, wird er aufgrund der Infrarotstrahlung der Flamme heiß.
Die Übertragung kann auch durch zwei andere Methoden erfolgen. Bei der Leitung verursacht die Bewegung von Molekülen in einem heißen Bereich eine erhöhte Bewegung in kühleren Bereichen, wenn die Moleküle aneinander stoßen. Wird beispielsweise ein Metalllöffel in eine Flamme gehalten, wird das andere Ende des Löffels schließlich heiß.
Konvektion beinhaltet die Bewegung eines Gas- oder Flüssigkeitsbereichs, der wärmer ist als seine Umgebung. Zum Beispiel erwärmt die Sonne den Boden, was wiederum die Luft erwärmt, die sich dann nach oben bewegt, da die warme Luft weniger dicht ist als die kühlere Luft darüber. Es ist Konvektion, die die Wettersysteme der Welt antreibt, da warme Luft aus den Tropen aufsteigt und nach außen strömt.
Thermische Energie und Materie
Thermische Energie kann eine Änderung des Aggregatzustandes bewirken. Wenn die Moleküle in einem Festkörper ihre Bewegung ausreichend verstärken, schmilzt er zu einer Flüssigkeit. Ein weiterer Anstieg führt dazu, dass die Flüssigkeit kocht und gasförmig wird, obwohl Flüssigkeiten auch bei Temperaturen weit unter ihrem Siedepunkt dazu neigen, zu verdampfen, da sich einige Moleküle schnell genug bewegen, um aus der Flüssigkeit zu entweichen. Da sich die Moleküle in einem Gas schneller bewegen als in einer Flüssigkeit, hat ein Gas mehr Energie. Deshalb kühlt Schwitzen ab: Schweiß verdunstet, entzieht dem Körper Wärme.
Nutzung von thermischer Energie
Die Nutzung von Wärmeenergie, entweder direkt oder zur Stromerzeugung, hat die industrielle Revolution vorangetrieben. Es ermöglichte die großtechnische Produktion von Eisen und Stahl und produzierte den Dampf zum Antrieb der Turbinen zur Stromerzeugung. Die Menschheit ist seit einiger Zeit stark von der Verbrennung fossiler Energieträger wie Öl, Kohle und Erdgas als Wärmeträger abhängig. Bedenken hinsichtlich Umweltverschmutzung, Klimawandel und Nichterneuerbarkeit haben jedoch großes Interesse an Alternativen geweckt.
Eine genutzte Quelle ist die Geothermie. Die Erde hat einen geschmolzenen Kern, von dem angenommen wird, dass er eine Temperatur von 5,432-9,032 ° F (3,000-5,000 ° C) hat. Diese hohe Temperatur kommt teilweise von der Wärme, die von der Bildung der Erde übrig bleibt, die unter isolierenden Gesteinsschichten in der Kruste eingeschlossen ist, und teilweise vom Zerfall radioaktiver Elemente. Zwischen Kern und Kruste liegt der Mantel, eine heiße, halbflüssige Region, die Plattentektonik und Vulkanausbrüche antreibt. Es gibt viele „Hot Spots“ auf der Erdkruste, an denen diese Hitze oberflächennah ist und auf verschiedene Weise genutzt werden kann.
Erdwärme kann entweder direkt genutzt werden, um Wohnungen zu heizen oder Strom zu erzeugen. Geysire sind eine fertige Warmwasserquelle, aber bei den meisten Geothermieprojekten werden Löcher gebohrt und Wasser hineingepumpt. Das Wasser wird unter der Oberfläche erhitzt und wieder abgepumpt, um Energie bereitzustellen. Geothermie ist streng genommen kein erneuerbarer Energieträger, aber es gibt so viel Wärme aus dem Kern, dass sie in absehbarer Zeit nicht zur Neige gehen wird.
Obwohl Sonnenenergie genutzt werden kann, um direkt durch Sonnenkollektoren Strom zu erzeugen, ist ein weiterer Bereich, der erforscht wird, die Solarthermie. Dabei wird Wärme von der Sonne eingefangen, um Strom oder Warmwasser bereitzustellen. Dies kann für die Zentralheizung in Häusern verwendet werden, wo Wasser oder eine andere Flüssigkeit durch einen Behälter gepumpt wird, der Sonnenlicht empfängt, wodurch seine Temperatur erhöht wird. Alternativ kann die Sonnenwärme verwendet werden, um mechanische Geräte anzutreiben, die Elektrizität erzeugen, oder kann durch konvexe Spiegel so fokussiert werden, dass Wärme zum Kochen oder für andere Zwecke bereitgestellt wird. Diese Idee kann auch in größerem Maßstab angewendet werden, um Wasser zu kochen, das eine Turbine antreibt, oder um einen „Solarofen“ zu bauen, der die für einige industrielle Prozesse erforderlichen extremen Temperaturen erreichen kann.