Atomi i molekule koji čine tvar u stalnom su kretanju. To je kretanje ono što materijalu daje temperaturu: što se molekule više kreću, to je temperatura viša. Toplinska energija je jednostavno energija koju posjeduje tvar zbog kretanja njezinih atoma ili molekula. Važno je to ne brkati s toplinom, što je energija koja se prenosi s jednog mjesta na drugo. Ljudi dugo koriste toplinsku energiju za kuhanje, grijanje, proizvodnju električne energije i industriju.
Zračenje, vodljivost i konvekcija
Toplina je definirana kao energija koja se prenosi iz jedne regije u drugu, uvijek teče iz područja s višom temperaturom u područje s nižom temperaturom. Može se prenositi infracrvenim zračenjem, oblikom elektromagnetskog zračenja s rasponom valnih duljina koje se nalaze između radio valova i vidljive svjetlosti. To u interakciji s materijom uzrokuje da se molekule kreću većim brzinama, što se vidi kao porast temperature: materijal postaje topao ili vruć, jer je energija prenesena s izvora zračenja na materijal koji ga apsorbira. Na primjer, ako se predmet drži u blizini plamena, postaje vruć zbog infracrvenog zračenja iz plamena.
Prijenos se također može obaviti na dvije druge metode. U vodljivosti, kretanje molekula u vrućem području uzrokuje povećano kretanje u hladnijim područjima jer se molekule sudaraju jedna s drugom. Na primjer, ako se metalna žlica drži u plamenu, drugi kraj žlice će na kraju postati vruć.
Konvekcija uključuje kretanje područja plina ili tekućine koje je toplije od okoline. Na primjer, Sunce zagrijava tlo, koje zauzvrat zagrijava zrak, koji se zatim kreće prema gore, budući da je topli zrak manje gustoće od hladnijeg zraka iznad. Konvekcija je ta koja pokreće svjetske vremenske sustave, jer se topli zrak iz tropskih krajeva diže i struji prema van.
Toplinska energija i materija
Toplinska energija može dovesti do promjene stanja materije. Ako molekule u krutini dovoljno povećaju svoje kretanje, ona će se otopiti i postati tekućina. Daljnje povećanje će uzrokovati da tekućina zakipi i postane plin, iako tekućine također imaju tendenciju isparavanja na temperaturama znatno ispod svojih vrelišta, jer će se neke molekule kretati dovoljno brzo da pobjegnu iz tekućine. Budući da se molekule u plinu kreću brže od onih u tekućini, plin ima više energije. Zbog toga znojenje hladi ljude: kako znoj isparava, tijelo oduzima toplinu.
Iskorištavanje toplinske energije
Korištenje toplinske energije, bilo izravno ili za proizvodnju električne energije, pokrenulo je industrijsku revoluciju. Omogućio je veliku proizvodnju željeza i čelika i proizvodio paru za pogon turbina koje se koriste za proizvodnju električne energije. Čovječanstvo je već neko vrijeme uvelike ovisi o izgaranju fosilnih goriva, poput nafte, ugljena i prirodnog plina, kao izvora toplinske energije. Međutim, zabrinutost oko zagađenja, klimatskih promjena i neobnovljivosti izazvala je veliko zanimanje za alternative.
Jedan od izvora koji se iskorištava je geotermalna energija. Zemlja ima rastaljenu jezgru za koju se smatra da ima temperaturu od 5,432-9,032°F (3,000-5,000°C). Ova visoka temperatura dijelom dolazi od topline preostale od formiranja Zemlje, zarobljene ispod izolacijskih slojeva stijena u kori, a dijelom od raspada radioaktivnih elemenata. Između jezgre i kore nalazi se plašt, vruća, polutekuća regija koja pokreće tektoniku ploča i vulkanske erupcije. Postoje mnoge “vruće točke” na Zemljinoj kori gdje je ta toplina blizu površine i može se iskoristiti na razne načine.
Geotermalna toplina može se koristiti izravno, za grijanje domova ili za proizvodnju električne energije. Gejziri su gotov izvor tople vode, ali većina geotermalnih projekata uključuje bušenje rupa i pumpanje vode u njih. Voda se zagrijava ispod površine i ponovno ispumpava kako bi se dobila energija. Geotermalna energija nije, strogo govoreći, obnovljivi izvor energije, ali postoji toliko velika zaliha topline iz jezgre da neće nestati u dogledno vrijeme.
Iako se solarna energija može iskoristiti za proizvodnju električne energije izravno putem solarnih panela, još jedno područje koje se istražuje je solarna toplinska energija. To uključuje hvatanje topline od Sunca za dobivanje struje ili tople vode. Ovo se može koristiti za centralno grijanje u domovima, gdje se voda ili druga tekućina pumpa kroz spremnik koji prima sunčevu svjetlost, podižući njegovu temperaturu. Alternativno, toplina sa Sunca može se koristiti za pogon mehaničkih uređaja koji generiraju električnu energiju, ili se može fokusirati pomoću konveksnih zrcala na način da osigura toplinu za kuhanje ili druge svrhe. Ova se ideja također može usvojiti u većim razmjerima za prokuhavanje vode koja pokreće turbinu ili za izgradnju “solarne peći” koja može postići ekstremne temperature potrebne za neke industrijske procese.