Тепловая энергия — это физическая величина, соответствующая энергии, передаваемой от одного тела к другому посредством разницы температур, без выполнения механической работы и не связанной с переносом вещества.
Понятие тепловой энергии используется в двух основных контекстах: физический (молекулярная физика и термодинамика) и энергетический (теплоэнергетика и коммунальное хозяйство).
Физическое определение
В молекулярной физике под тепловой энергией понимается энергия теплового движения частиц среды, то есть часть внутренней энергии системы. Эта энергия возникает вследствие хаотичного движения и взаимодействия частиц (атомов, молекул, электронов), из которых состоит тело.
Внутренняя энергия U системы определяется по первому закону термодинамики:
Q = ΔU + A
где:
- Q — количество теплоты, полученной телом
- ΔU — изменение внутренней энергии
- A — работа, выполненная телом
Для обратимых процессов элементарное количество теплоты определяется вторым началом термодинамики:
dQ=T⋅dS
где T — абсолютная температура, dS — изменение энтропии.
Единицы измерения
Количество теплоты обозначается буквой Q и имеет размерность энергии:
- В Международной системе (СИ): джоули (Дж), килоджоули (кДж), мегаджоули (МДж)
- Внесистемная единица: калории (кал), килокалории (ккал)
- В теплоэнергетике: гигакалории (Гкал), мегаватт-часы (МВт·ч)
В России тарифы за тепловую энергию принято устанавливать в рублях за гигакалорию (Гкал).
Энергетическое определение
Согласно Федеральному закону № 190-ФЗ «О теплоснабжении», тепловая энергия определяется как энергетический ресурс, при потреблении которого изменяются термодинамические параметры теплоносителей (температура, давление).
В теплоэнергетике тепловая энергия представляет собой энергию, передаваемую от производителя потребителю посредством теплоносителя (воды, водяного пара, жидкого металла и др.) за счёт охлаждения последнего.
Источники тепловой энергии
Тепловая энергия может быть получена из различных источников:
1. Сжигание органического топлива:
- Природный газ в котельных и ТЭЦ
- Мазут и уголь в печах
- Биомасса и отходы
2. Ядерные реакции:
- Атомные станции (АЭС) с ядерным синтезом
3. Возобновляемые источники:
- Солнечная энергия (гелиоустановки)
- Геотермальная энергия (тепло земли)
4. Другие способы:
- Механические взаимодействия (трение, удар)
- Электрическое сопротивление (электрические котлы)
- Рекуперация (котлы-утилизаторы)
Способы передачи тепловой энергии
Тепловая энергия передаётся между телами тремя основными способами:
1. Теплопроводность — передача тепла при непосредственном контакте тел, когда более нагретые частицы, сталкиваясь с соседними молекулами, передают им часть своей кинетической энергии.
2. Конвекция — передача тепла движущимися частицами жидкости или газа (естественная конвекция или принудительная с помощью насосов).
3. Излучение — передача тепловой энергии в виде электромагнитного излучения (инфракрасное излучение).
Роль теплоносителя
Теплоноситель — это вещество (обычно вода или водяной пар), которое несёт в себе тепловую энергию и служит средством её транспортировки.
Характеристики теплоносителя:
- Для отопления: температура регулируется в зависимости от температуры наружного воздуха согласно температурным графикам
- Для горячего водоснабжения: минимальная допустимая температура не менее 60°С
- Санитарные требования: для ГВС используется питьевая вода; для отопления — обычная сетевая вода
Ключевое различие: горячая вода состоит из самой воды и содержащейся в ней тепловой энергии (гигакалорий). Чем выше температура воды, тем большее количество тепловой энергии она содержит.
Применение в системах теплоснабжения
В централизованных системах теплоснабжения тепловая энергия используется для:
- Отопления жилых и общественных зданий через системы отопления
- Горячего водоснабжения (ГВС) — подготовка питьевой воды для потребителей
- Вентиляции и кондиционирования воздуха в зданиях
- Технологических процессов на промышленных предприятиях
При прохождении через систему отопления дома теплоноситель приходит с одной температурой, отдаёт часть своей тепловой энергии через радиаторы и трубопроводы в окружающую среду и выходит с более низкой температурой. За отданную часть тепловой энергии потребитель платит согласно установленным тарифам.
Различие между тепловой энергией и отоплением
- Тепловая энергия — это коммунальный ресурс, поставляемый ресурсоснабжающей организацией (теплоснабжающей компанией)
- Отопление — это коммунальная услуга, предоставляемая управляющей организацией на основе полученного ресурса «тепловая энергия»
Ресурс «тепловая энергия» также используется для предоставления услуги «горячее водоснабжение» и может использоваться для подогрева холодной воды (ХВС) перед её подачей потребителю.