Nhiệt năng

Nhiệt năng đề cập đến một số khái niệm vật lý riêng biệt, chẳng hạn như nội năng của một hệ thống; nhiệt hoặc nhiệt hiện, được định nghĩa là các loại truyền năng lượng (giống như công); hoặc năng lượng đặc trưng của bậc tự do trong hệ nhiệt $kT$ , tại đó $T$ là nhiệt độ và $k$ là hằng số Boltzmann.

Liên quan đến nhiệt và nội năng

Trong nhiệt động lực học, nhiệt là năng lượng truyền đến hoặc từ một hệ nhiệt động lực học, bằng các cơ chế khác với công hoặc chuyển giao nhiệt động lực học của vật chất.^[1]^[2] Nhiệt đề cập đến một lượng được truyền giữa các hệ thống, không phải thuộc tính của bất kỳ hệ thống nào hoặc 'chứa' bên trong nó.^[3] Mặt khác, nội năng là thuộc tính của một hệ thống duy nhất. Nhiệt và công phụ thuộc vào cách thức mà quá trình truyền năng lượng xảy ra, trong khi nội năng là một thuộc tính của trạng thái của một hệ thống và do đó có thể hiểu được mà không cần biết năng lượng đến đó như thế nào.

Trong phân tích cơ học thống kê của khí lý tưởng, trong đó các phân tử chuyển động độc lập giữa các va chạm tức thời, nội năng là tổng động năng của các hạt độc lập của khí và chính chuyển động động học này là nguồn gốc và tác dụng của sự truyền nhiệt qua ranh giới của hệ thống. Đối với một chất khí không có tương tác hạt ngoại trừ các va chạm tức thời, thuật ngữ "nhiệt năng" đồng nghĩa với " nội năng ". Trong nhiều văn bản vật lý thống kê, "nhiệt năng" đề cập đến $kT$ , tích của hằng số Boltzmann và nhiệt độ tuyệt đối, cũng được viết là $k_{\text{B}}T$ . Trong vật chất, đặc biệt là vật chất cô đặc, chẳng hạn như chất lỏng hoặc chất rắn, trong đó các phần tử cấu thành, chẳng hạn như phân tử hoặc ion, tương tác mạnh với nhau, năng lượng của các tương tác đó đóng góp mạnh mẽ vào nội năng của vật thể, nhưng không chỉ rõ ràng về nhiệt độ.

Thuật ngữ 'năng lượng nhiệt' cũng được áp dụng cho năng lượng được mang bởi dòng nhiệt,^[4] mặc dù điều này cũng có thể được gọi đơn giản là nhiệt hoặc nhiệt lượng.

Bối cảnh lịch sử

Trong một bài giảng năm 1847 có tiêu đề "Về Vật chất, Lực sống và Nhiệt", James Prescott Joule đã mô tả các thuật ngữ khác nhau có liên quan chặt chẽ đến nhiệt năng và nhiệt lượng. Ông xác định các thuật ngữ nhiệt tiềm ẩn và nhiệt cảm nhận là các dạng nhiệt ảnh hưởng đến các hiện tượng vật lý riêng biệt, cụ thể là thế năng và động năng của các hạt, tương ứng.^[5] Ông mô tả năng lượng tiềm ẩn là năng lượng của sự tương tác trong một cấu hình nhất định của các hạt, tức là một dạng năng lượng tiềm năng, và nhiệt lượng cảm nhận được là năng lượng ảnh hưởng đến nhiệt độ đo bằng nhiệt kế do nhiệt năng, mà ông gọi là lực sống.

Nhiệt năng vô dụng

Nếu nhiệt độ tối thiểu của môi trường của hệ thống là $T_{\text{e}}$ và entropy của hệ thống là $S$ , khi đó một phần năng lượng bên trong của hệ thống lên tới $S\cdot T_{\text{e}}$ không thể chuyển đổi thành công việc hữu ích. Đây là sự khác biệt giữa nội năng và năng lượng tự do của Helmholtz.

Xem thêm

Trao đổi nhiệt

Tham khảo

^ Bailyn, M. (1994). A Survey of Thermodynamics, American Institute of Physics Press, New York, ISBN 0-88318-797-3, p. 82.
^ Born, M. (1949). Natural Philosophy of Cause and Chance, Oxford University Press, London, p. 31.
^ Robert F. Speyer (2012). Thermal Analysis of Materials. Materials Engineering. Marcel Dekker, Inc. tr. 2. ISBN 0-8247-8963-6.
^ Ashcroft, Neil; Mermin, N. David (1976). Solid State Physics. Harcourt. tr. 20. ISBN 0-03-083993-9. We define the thermal current density ${\bf {j}}^{q}$ to be a vector parallel to the direction of heat flow, whose magnitude gives the thermal energy per unit time crossing a unit area perpendicular to the flow.
^ Matter, Living Force, and Heat, 1884, I am inclined to believe that both of these hypotheses will be found to hold good,—that in some instances, particularly in the case of sensible heat, or such as is indicated by the thermometer, heat will be found to consist in the living force of the particles of the bodies in which it is induced; whilst in others, particularly in the case of latent heat, the phenomena are produced by the separation of particle from particle, so as to cause them to attract one another through a greater space.

[1] Bailyn, M. (1994). A Survey of Thermodynamics, American Institute of Physics Press, New York, ISBN 0-88318-797-3, p. 82.

[2] Born, M. (1949). Natural Philosophy of Cause and Chance, Oxford University Press, London, p. 31.

[speyer-3] Robert F. Speyer (2012). Thermal Analysis of Materials. Materials Engineering. Marcel Dekker, Inc. tr. 2. ISBN 0-8247-8963-6.

[4] Ashcroft, Neil; Mermin, N. David (1976). Solid State Physics. Harcourt. tr. 20. ISBN 0-03-083993-9. We define the thermal current density ${\bf {j}}^{q}$ to be a vector parallel to the direction of heat flow, whose magnitude gives the thermal energy per unit time crossing a unit area perpendicular to the flow.

[5] Matter, Living Force, and Heat, 1884, I am inclined to believe that both of these hypotheses will be found to hold good,—that in some instances, particularly in the case of sensible heat, or such as is indicated by the thermometer, heat will be found to consist in the living force of the particles of the bodies in which it is induced; whilst in others, particularly in the case of latent heat, the phenomena are produced by the separation of particle from particle, so as to cause them to attract one another through a greater space.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]