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열에너지 원리
열에너지는 영어로 표현한다면, heat energy 또는 Thermal energy라고도 합니다. 열에너지는 온도를 담당하는 시스템 내에 포함된 에너지를 의미합니다.
열에너지는 열의 흐름으로 발생합니다. 물리학의 전체 분야인 열역학은 서로 다른 시스템 간에 열이 전달되는 방식과 프로세스에서 작업이 수행되는 방식을 설명합니다.
역학 문제의 맥락에서 우리는 일반적으로 에너지 보존을 보장하는 열에너지의 역할에 관심이 있습니다. 실제 물리적 시스템에서 발생하는 거의 모든 에너지 전송은 100% 미만의 효율성으로 수행되며 일부 열에너지가 발생합니다.
이 에너지는 일반적으로 낮은 수준의 열에너지 형태입니다. 여기서 낮은 수준은 열에너지와 관련된 온도가 환경 온도에 가깝다는 것을 의미합니다.
온도 차가 있을 때만 작업 추출이 가능하므로 낮은 수준의 열에너지는 에너지 전달의 `길의 끝`을 나타냅니다. 더 유용한 작업은 불가능합니다. 에너지는 이제 `환경에 의해 손실`되어 사라지게 됩니다.
열에너지를 활용한 예들은 무엇이 있을까요? 먼저 마찰로 인한 열에너지를 한 예로 들 수 있습니다. 일정한 속도로 거친 바닥에서 상자를 밀 때, 마찰력이 있습니다.
마찰력에 의해 수행되는 작업의 에너지는 열에너지로 바뀝니다. 이 열에너지는 상자와 바닥 내에서 열로 흘러 궁극적으로 두 물체 온도를 높입니다.
사람이 상자를 밀 때 마찰 때문에 수행되는 전체 작업을 찾아 상자 바닥에 heat energy를 만드는 시스템으로 에너지 생성 작업을 수행할 수 있습니다.
상자가 일정한 속도로 움직이고 있다면 이는 마찰력과 적용된 힘이 세기가 같다는 것을 의미합니다. 이 두 힘이 수행하는 작업도 같습니다.
거리를 이동하는 물체의 움직임과 평행한 힘으로 수행되는 일입니다. 다른 예는 항력으로 인한 열에너지입니다. 즉, 항력에 의한 공기 또는 물 등의 유체 등을 이동체에 비보존적 힘을 이용하여 열에너지가 발생합니다.
물체가 유체를 통해 이동할 때 약간의 운동량이 전달되고 유체가 움직이게 됩니다. 물체가 움직이지 않으면 유체의 잔여 움직임이 남아있을 것입니다. 이것은 얼마 후 없어질 것입니다.
여기서 일어나고 있는 것은 유체의 대규모 운동이 결국 유체에 있는 분자의 많은 작은 무작위 운동으로 재분배된다는 것입니다.
이러한 움직임은 시스템의 heat energy 증가를 나타냅니다. 단열 된 물탱크에 축이 매달려있는 시스템을 보여줍니다. 축을 기준으로 회전하도록 설정된 축에 두 개의 패들이 부착됩니다.
이 시스템에서 샤프트를 회전시키는 모든 작업은 운동 에너지를 물로 전달합니다. 일정 시간이 지난 후 구동력이 샤프트에서 제거되면 여전히 약간의 잔류 운동이 있습니다.
그러나 운동은 결국 사라지고 물의 heat energy가 증가합니다. 고래 기름 탱크에 잠긴 패들 휠을 사용하여 낙하하는 무게에 의해 그는 기계적 에너지와 열 사이의 관계를 결정할 수 있었습니다.
이것은 에너지 보존의 법칙과 열역학의 제1 법칙으로 설명할 수 있습니다. 열저장에너지는 어떻게 작동할까요? 사용량이 적은 시간대의 야간에는 25% 에틸렌글리콜이 포함된 물을 냉각기로 냉각합니다.
용액은 아이스 뱅크 내의 열교환기에서 순환되어 아이스 뱅크의 열교환기를 둘러싼 물의 95%를 얼리고 탱크의 열교환기 주변에 있는 물의 95%를 얼게 합니다.
열교환기 주변의 물은 절대 탱크에서 나오지 않습니다. 얼음은 역류 열교환 튜브를 통해 얼음 은행 탱크에서 균일하게 형성됩니다.
얼음이 만들어지면 물이 여전히 자유롭게 흐르므로 탱크 손상을 방지합니다. 아이스 뱅크 탱크를 완전히 충전하는 데는 6~12 시간이 걸립니다.
주간 최고조 시간에 글리콜 용액은 얼음 저장 탱크를 통해 순환하여 저장된 에너지를 건물에 전달하여 전기 냉각기 냉각을 강화합니다. 차가운 글리콜은 적절한 온도에서 공기 중의 냉각 코일로 전달됩니다.
팬은 코일에 공기를 불어서 거주 공간에 냉각을 공급합니다. 사람들은 추위를 느끼고 냉각 비용을 절약하기 위해 얼음 저장고가 사용되고 있다는 사실을 결코 알지 못합니다.
열에너지 저장 응용은 태양광 발전소를 집중하여 야간에도 발송 가능한 전력을 공급합니다. 또한, 화력 발전소에서 더 많이 작동하고 급격한 부하 변화. 열병합 발전소에서 열 공급 보안을 제공하고 열과 발전을 일시적으로 분리합니다.
그렇지 않으면 손실되는 공정 산업에서 열을 회수하고 활용합니다. 열에너지를 전달하는 세 가지 기본 방법이 있습니다. 전달, 전도, 및 방사능. 대류는 가스 나 액체를 통해 열에너지를 전달합니다.
전도는 한 고체에서 다른 고체로 Thermal energy를 전달합니다. 방사선은 분자가 없는 곳을 통해 파도 나 입자의 형태로 열을 전달합니다.
다음은 Thermal energy의 몇 가지 일반적인 예입니다. 우리 태양계에서 열에너지의 가장 큰 예는 태양 자체입니다.
태양은 지구에서 우리를 따뜻하게 하려고 열을 방출합니다. 스토브의 버너가 매우 뜨거우면 Thermal energy의 원천이 됩니다.
스토브 위에 올려놓고 데우는 것, 차나 달걀 프라이팬 등 모두 열에너지의 원천이 됩니다. 가솔린과 같은 자동차 연료는 경주용 자동차나 버스의 뜨거운 엔진과 마찬가지로 Thermal energy의 원천입니다.
토스터가 켜지고 빵 한 조각을 토스트 조각으로 바꿉니다. 이것은 토스트의 복사열 에너지로 인해 빵에서 수분을 끌어와 바삭하게 합니다.
뜨거운 김이 나는 코코아 컵에는 heat energy가 들어 있습니다. 가장 작은 성냥에서 벽난로, 가장 큰 산불에 이르기까지 모든 화재에는 열에너지가 포함되어 있습니다.
아주 작은 화재조차도 잠재적으로 거대한 불꽃에서 볼 수 있는 엄청난 양의 열에너지를 유발합니다. 얼음을 물 한 컵에 넣으면 물의 Thermal energy가 결국 얼음을 녹여 물 자체가 열에너지의 원천이 됩니다.
가정의 라디에이터 또는 난방 시스템은 길고 추운 겨울철에 집을 데우기 위해 복사열에너지를 제공합니다. 기존의 오븐은 대류 열에너지의 원천으로, 그 안에 넣은 음식이 뜨거워지고 조리됩니다.
당신의 몸에는 차가운 레모네이드 한 잔을 따뜻하게 하고, 창문 반대편의 얼음을 녹이고, 당신이 그들을 껴안을 때 다른 사람을 따뜻하게 할 수 있는 열에너지가 들어 있습니다.
지열에너지는 지구 표면 아래에서 생성되고 저장되는 일종의 열에너지입니다. 이러한 유형의 에너지는 집과 건물을 난방하는 데 사용됩니다.
엄청난 양의 열에너지가 번개 볼트에 저장되어 화재를 일으키거나 정전을 일으킬 수 있습니다. 열에너지는 뜨거운 피자 조각 내부에 포함되어 있습니다.
식히지 않으면 그 열에너지가 사람의 입천장을 손상할 가능성이 있습니다. 컴퓨터를 켜면 컴퓨터 내부의 구성 요소가 열에너지를 생성하므로 컴퓨터 내부에 설치된 작은 팬으로 냉각해야 합니다.
뜨거운 물로 채워진 욕조에는 추운 날에 차가운 몸을 편안한 수준으로 되돌릴 수 있는 충분한 heat energy가 들어 있습니다.
고양이 내부에는 따뜻한 동물이 무릎 위로 뛰어올라 사람에게 전달될 수 있는 Thermal energy가 있습니다. 가열에너지를 활용한 발전소는 여러 가지가 있습니다.
위의 예들처럼 태양열, 지구의 핵의 열로 발생하는 활용들은 다양합니다. 이런 열에너지의 변환으로 우리는 많은 에너지를 확보하여, 사용할 수 있습니다.
앞으로 이 열에너지를 근간으로 어떤 활용을 하는 지 알아보도록 하겠습니다. 위에 소개한 열에너지의 예는 간단히 개요만 설명한 부분이니 참고하시면 됩니다.