Les atomes et les molécules qui composent une substance sont en mouvement constant. Ce mouvement est ce qui donne à un matériau sa température : plus les molécules se déplacent, plus la température est élevée. L’énergie thermique est simplement l’énergie possédée par une substance en raison du mouvement de ses atomes ou de ses molécules. Il est important de ne pas confondre cela avec la chaleur, qui est l’énergie qui est transférée d’un endroit à un autre. L’énergie thermique a longtemps été exploitée par l’homme pour la cuisine, le chauffage, la production d’électricité et l’industrie.
Rayonnement, conduction et convection
La chaleur est définie comme l’énergie qui est transférée d’une région à une autre, s’écoulant toujours d’une zone de température plus élevée vers une zone de température plus basse. Il peut être transféré par rayonnement infrarouge, une forme de rayonnement électromagnétique avec une gamme de longueurs d’onde qui se situent entre les ondes radio et la lumière visible. Celle-ci interagit avec la matière pour faire se déplacer les molécules à des vitesses plus élevées, ce qui est perçu comme une élévation de température : le matériau devient chaud ou chaud, car de l’énergie a été transférée de la source du rayonnement au matériau qui l’absorbe. Par exemple, si un objet est tenu près d’une flamme, il devient chaud en raison du rayonnement infrarouge de la flamme.
Le transfert peut également avoir lieu par deux autres méthodes. En conduction, le mouvement des molécules dans une région chaude provoque un mouvement accru dans les zones plus froides lorsque les molécules se heurtent les unes aux autres. Par exemple, si une cuillère en métal est tenue dans une flamme, l’autre extrémité de la cuillère finira par devenir chaude.
La convection implique le mouvement d’une région de gaz ou de liquide plus chaude que son environnement. Par exemple, le Soleil chauffe le sol, qui à son tour chauffe l’air, qui se déplace ensuite vers le haut, car l’air chaud est moins dense que l’air plus frais au-dessus. C’est la convection qui entraîne les systèmes météorologiques du monde, alors que l’air chaud des tropiques monte et s’écoule vers l’extérieur.
Énergie thermique et matière
L’énergie thermique peut entraîner un changement dans l’état de la matière. Si les molécules d’un solide augmentent suffisamment leur mouvement, il fondra pour devenir un liquide. Une augmentation supplémentaire fera bouillir le liquide et deviendra un gaz, bien que les liquides aient également tendance à s’évaporer à des températures bien inférieures à leurs points d’ébullition, car certaines molécules se déplaceront assez rapidement pour s’échapper du liquide. Étant donné que les molécules d’un gaz se déplacent plus rapidement que celles d’un liquide, un gaz a plus d’énergie. C’est pourquoi la transpiration refroidit les gens : à mesure que la sueur s’évapore, elle évacue la chaleur du corps.
Exploiter l’énergie thermique
L’utilisation de l’énergie thermique, soit directement, soit pour produire de l’électricité, a été le moteur de la révolution industrielle. Il permettait la production à grande échelle de fer et d’acier et produisait de la vapeur pour entraîner les turbines utilisées pour produire de l’électricité. L’humanité est depuis un certain temps fortement dépendante de la combustion de combustibles fossiles, tels que le pétrole, le charbon et le gaz naturel, comme sources d’énergie thermique. Cependant, les préoccupations concernant la pollution, le changement climatique et la non-renouvelabilité ont suscité beaucoup d’intérêt pour les alternatives.
Une des sources exploitées est la géothermie. La Terre a un noyau en fusion, qui aurait une température de 5,432 9,032 à 3,000 5,000 °F (XNUMX XNUMX à XNUMX XNUMX °C). Cette température élevée provient en partie de la chaleur résiduelle de la formation de la Terre, piégée sous des couches isolantes de roche dans la croûte, et en partie de la désintégration des éléments radioactifs. Entre le noyau et la croûte se trouve le manteau, une région chaude et semi-liquide qui entraîne la tectonique des plaques et les éruptions volcaniques. Il existe de nombreux points chauds sur la croûte terrestre où cette chaleur est proche de la surface et peut être exploitée de diverses manières.
La chaleur géothermique peut être utilisée soit directement, soit pour chauffer les maisons, soit pour produire de l’électricité. Les geysers sont une source d’eau chaude prête à l’emploi, mais la plupart des projets géothermiques impliquent de percer des trous et d’y pomper de l’eau. L’eau est chauffée sous la surface et pompée à nouveau pour fournir de l’énergie. L’énergie géothermique n’est pas, à proprement parler, une source d’énergie renouvelable, mais il y a une telle quantité de chaleur provenant du cœur qu’elle ne s’épuisera pas dans un avenir prévisible.
Bien que l’énergie solaire puisse être exploitée pour produire de l’électricité directement grâce à des panneaux solaires, un autre domaine à l’étude est l’énergie solaire thermique. Cela implique de capter la chaleur du soleil pour fournir de l’électricité ou de l’eau chaude. Cela peut être utilisé pour le chauffage central dans les maisons, où l’eau, ou un autre fluide, est pompée à travers un récipient qui reçoit la lumière du soleil, augmentant sa température. Alternativement, la chaleur du soleil peut être utilisée pour entraîner des dispositifs mécaniques qui génèrent de l’électricité, ou peut être focalisée par des miroirs convexes de manière à fournir de la chaleur pour la cuisson ou à d’autres fins. Cette idée peut également être adoptée à plus grande échelle pour faire bouillir de l’eau qui entraîne une turbine ou pour construire un four solaire qui peut atteindre les températures extrêmes requises pour certains processus industriels.