Năng lượng nhiệt

Nhiệt năng đề cập đến một số khái niệm vật lý khác nhau, như nội năng của một hệ thống; nhiệt hoặc nhiệt hiện, là các loại năng lượng được truyền đi (như công); hoặc năng lượng đặc trưng của một bậc tự do trong hệ nhiệt, với $kT$, trong đó $T$ là nhiệt độ và $k$ là hằng số Boltzmann.

Liên quan đến nhiệt và nội năng

Trong động lực học nhiệt, nhiệt là năng lượng chuyển đi hoặc đến từ một hệ động lực học nhiệt, thông qua cơ chế khác so với công hoặc truyền nhiệt động lực học của vật chất. Nhiệt chỉ ra một lượng năng lượng được chuyển từ một hệ thống này sang hệ thống khác, không phải là tính chất của bất kỳ hệ thống nào hoặc 'có' nó bên trong. Trái lại, nội năng là tính chất của một hệ thống cụ thể. Nhiệt và công phụ thuộc vào cách mà quá trình chuyển năng lượng diễn ra, trong khi nội năng là một thuộc tính của trạng thái của một hệ thống và có thể hiểu được mà không cần biết lượng năng lượng đã đi đến đó như thế nào.

Trong phân tích cơ học thống kê của khí lý tưởng, trong đó các phân tử di chuyển độc lập và va chạm ngay lập tức, nội năng là tổng động năng của các hạt độc lập của khí và chính di chuyển này là nguồn gốc và tác động của sự truyền nhiệt qua biên giới của hệ thống. Đối với một chất khí không có tương tác ngoại trừ va chạm ngay lập tức, thuật ngữ 'nhiệt năng' tương đương với 'nội năng'. Trong nhiều tài liệu vật lý thống kê, 'nhiệt năng' chỉ đơn giản là $kT$, tích của hằng số Boltzmann và nhiệt độ tuyệt đối, cũng viết là $k_{\text{B}}T$. Trong vật chất, đặc biệt là vật chất cô đặc như chất lỏng hoặc chất rắn, trong đó các phần tử cấu thành như phân tử hoặc ion tương tác mạnh với nhau, năng lượng từ tương tác này đóng góp mạnh mẽ vào nội năng của vật thể, tuy không rõ ràng về nhiệt độ.

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

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 liên quan chặt chẽ đến nhiệt năng và nhiệt lượng. Ông xác định năng lượng tiềm ẩn và nhiệt cảm nhận là các dạng nhiệt có ảnh hưởng đến các hiện tượng vật lý riêng biệt, cụ thể là thế năng và động năng của các hạt tương ứng. 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 cảm nhận là năng lượng ảnh hưởng đến nhiệt độ đo bằng nhiệt kế từ nhiệt năng, mà ông gọi là lực sống.

Nhiệt năng vô ích

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 $S\cdot <!--\; \cdot \; -->T_{\text{e}}$ không thể chuyển đổi thành công việc hữu ích. Đây là sự khác biệt giữa nội năng và năng lượng tự do của Helmholtz.