אנרגיה תרמית

אנרגיה תרמית היא חלק האנרגיה של מערכת או גוף מסוימים, שמיוחס לטמפרטורה שלו. אנרגיה זו, אשר היא חלק מהאנרגיה הפנימית, מתארת את כמות החום האגורה במערכת.

אופיה ה"תרמי" של האנרגיה הזו נובע מכך שהיא מתארת אנרגיות חלקיות של החלקיקים המיקרוסקופיים שמרכיבים את המערכת, ואשר נעים באופן אקראי, ובמהירות ממוצעת הקשורה בטמפרטורה. ניתן למדל אנרגיה זו, כסכום האנרגיות הקינטיות של כלל החלקיקים במערכת. עבור חלקיק יחיד, זוהי האנרגיה הקינטית הממוצעת עבור טמפרטורה מסוימת.

מושג זה של אנרגיה נמצא בשימוש בתחומי התרמודינמיקה והמכניקה הסטטיסטית.

הגדרות

מערכת בעלת N חלקיקים

ניתן לכתוב את האנרגיה התרמית כ: $U_{\text{thermal}}=N\cdot f\cdot {\frac {1}{2}}kT$

כאן:

• $\ N$ הוא מספר החלקיקים במערכת.
• $\ k$ הוא קבוע בולצמן.
• $\ T$ היא הטמפרטורה בקלווין.
• $\ f$ הוא מספר דרגות החופש לתנועה במערכת. עבור מולקולה חד אטומית, f=3.

חישוב אנרגיית חום

אנרגיית חום היא האנרגיה המושקעת בעת עלייה בטמפורטורה של גוף בכל חומר שהוא, התכתו ואידויו. אנרגיית החום נגרעת ומשתחררת בעת שרפה (בעירה), הקפאה ועיבוי.

חישוב אנרגיית חום בעת שרפה (בעירה)

מוסכמת הנוסחה הבאה אשר מתארת את האנרגיה הנפלטת בעת בעירה:

$Q=-qm$

כאשר:

• q הוא קבוע אשר משתנה בכל חומר בעירה, הנמדד בדרך כלל ביחידות ${\frac {J}{g}}$ או ${\frac {J}{kg}}$.
• m הוא המסה של החומר שמבעירים בעזרתו (לדוגמה: מסת הפחמים). נמדד ביחידות גרם או ק"ג בהתאם לq.
• ה(-) שבהתחלה מציין כי האנרגיה נפלטת ולא מושקעת.
• Q הוא אנרגיית החום הכוללת של הבעירה והוא נמדד ביחידות ג'ול.

חישוב אנרגיית חום בעת עליה בטמפרטורה

ערך מורחב – קיבול חום

מוסכמת הנוסחה הבאה אשר מתארת את האנרגיה המושקעת בעת עליה בטמפרטורה של חומר:

$Q=mc\Delta T$

• m הוא המסה (הכמות הכוללת) של כל החומר שרוצים להעלות בטמפרטורה. ככל שהמסה גדולה יותר, ככה נדרשת יותר אנרגיה. המסה נמדדת ביחידות בהתאם ליחידת קיבול החום הסגולי (c). בדר"כ ביחידות גרם.
• c הוא קבוע (קיבול חום סגולי) אשר משתנה מחומר לחומר. נמדד ביחידות J/g°C (ג'ול חלקי גרם לטמפ' צלזיוס).
• $\Delta T$ מיוחס אל הפרש הטמפרטורה החדשה של הגוף (שהחומר הגיע אליה) עם הטמפרטורה הקודמת שלו. נהוג לרשום גם כ$\Delta T=T_{2}-T_{1}$ כאשר $T_{2}$ הוא הטמפרטורה של הגוף אחרי כל תהליך העלייה בטמפרטורה ו-$T_{1}$ הוא הטמפרטורה המקורית. נמדד בדרך כלל ביחידות צלזיוס (בהתאם לקיבול החום הסגולי).
• Q הוא אנרגיית החום הכוללת של העלייה בטמפרטורה והוא נמדד ביחידות ג'ול.

חום כמוס וטמפרטורות שינוי מצב צבירה של נוזלים וגזים נפוצים

חומר	חום כמוס התכה J/g	טמפ' התכה C°	חום כמוס רתיחה J/g	טמפ' רתיחה C°
אלכוהול, אתיל	108	114-	846	78.3
אמוניה	339	75-	1369	33.34-
פחמן דו-חמצני	184		574
הליום		272.2-	21	268.9-
מימן	58	259.2-	461	252.9-
חנקן	25.7	210-	199	196-
חמצן	13.9	219-	214	183-
טולואן (מתיל-בנזין)			351
טרפנטין			293
מים	335	0	2257	100

חישוב אנרגיית חום בעת התכה

ערך מורחב – חום כמוס

בעת התכה עצמה, לא מושקעת אותה האנרגיית חום של העלייה בטמפרטורה אלא אנרגיה שונה המיוחדת להתכה.

$Q=\lambda m$

• m הוא המסה של הגוף - הכמות הכוללת של החומר העובר את תהליך ההתכה. בדר"כ ביחידות גרם, אך תלוי בחום ההיתוך הסגולי.
• $\lambda$ הוא חום ההיתוך הסגולי, קבוע אשר שונה אצל כל חומר ומצב הצבירה שלו. מסומן באות למדא ביוונית. חום ההיתוך הסגולי נמדד ביחידות ${\frac {J}{g}}$ או ${\frac {J}{kg}}$, בהתאם למסה.
• Q הוא אנרגיית החום המושקעת בהיתוך ונמדד ביחידות ג'ול.

חישוב אנרגיית חום בעת רתיחה (אידוי)

ערך מורחב – חום כמוס

גם בעת האידוי, לא מושקעת אותה אנרגיית חום של העלייה בטמפרטורה. אנרגיית החום המושקעת באידוי לרוב תהיה גבוהה ביחס לשאר האנרגיות שפורטו, וזאת מאחר שבעת הרתיחה יש צורך לשבור הכי הרבה קשרים במולקולות. לכן גם התהליך לוקח מעט יותר זמן ברוב המקרים.

$Q=Lm$

• m הוא המסה של הגוף - הכמות הכוללת של החומר העובר את תהליך הרתיחה. בדר"כ נמדד ביחידות גרם אך תלוי בחום הרתיחה הסגולי.
• L הוא קבוע אשר משתנה מחומר לחומר, והוא נקרא חום רתיחה סגולי. חום הרתיחה הסגולי נמדד ביחידות ${\frac {J}{g}}$ או ${\frac {J}{kg}}$, בהתאם למסה.
• Q הוא אנרגיית החום המושקעת ברתיחה ונמדד ביחידות ג'ול.