Atomi in molekule, ki sestavljajo snov, so v stalnem gibanju. To gibanje daje materialu temperaturo: bolj ko se molekule premikajo, višja je temperatura. Toplotna energija je preprosto energija, ki jo ima snov zaradi gibanja njenih atomov ali molekul. Pomembno je, da tega ne zamenjate s toploto, ki je energija, ki se prenaša z enega mesta na drugega. Ljudje že dolgo izkoriščajo toplotno energijo za kuhanje, ogrevanje, proizvodnjo električne energije in industrijo.
Sevanje, prevodnost in konvekcija
Toplota je opredeljena kot energija, ki se prenaša iz enega območja v drugo in vedno teče iz območja z višjo temperaturo v območje z nižjo temperaturo. Lahko se prenaša z infrardečim sevanjem, obliko elektromagnetnega sevanja z razponom valovnih dolžin, ki ležijo med radijskimi valovi in vidno svetlobo. Ta interakcija s snovjo povzroči, da se molekule premikajo z večjo hitrostjo, kar se vidi kot dvig temperature: material postane topel ali vroč, ker je bila energija prenesena iz vira sevanja na material, ki ga absorbira. Na primer, če predmet držite blizu plamena, postane vroč zaradi infrardečega sevanja iz plamena.
Prenos se lahko izvede tudi na dva druga načina. Pri prevodnosti gibanje molekul v vročem območju povzroči povečano gibanje v hladnejših območjih, ko se molekule zaletavajo druga v drugo. Na primer, če kovinsko žlico držite v plamenu, se bo drugi konec žlice sčasoma segrel.
Konvekcija vključuje gibanje območja plina ali tekočine, ki je toplejše od okolice. Sonce na primer segreje tla, ta pa segreje zrak, ki se nato premakne navzgor, saj je topel zrak manj gost kot hladnejši zrak zgoraj. Konvekcija je tista, ki poganja svetovne vremenske sisteme, saj se topel zrak iz tropov dviga in teče navzven.
Toplotna energija in snov
Toplotna energija lahko povzroči spremembo agregatnega stanja. Če molekule v trdni snovi dovolj povečajo svoje gibanje, se bo stopila in postala tekočina. Nadaljnje povečanje bo povzročilo, da tekočina zavre in postane plin, čeprav se tekočine nagibajo k izhlapevanju pri temperaturah, ki so precej nižje od svojih vrelišč, saj se bodo nekatere molekule premikale dovolj hitro, da uidejo iz tekočine. Ker se molekule v plinu premikajo hitreje kot molekule v tekočini, ima plin več energije. Zato potenje ljudi hladi: ko znoj izhlapi, odvzame toploto iz telesa.
Izkoriščanje toplotne energije
Uporaba toplotne energije, bodisi neposredno bodisi za proizvodnjo električne energije, je povzročila industrijsko revolucijo. Omogočal je obsežno proizvodnjo železa in jekla ter proizvajal paro za pogon turbin, ki se uporabljajo za proizvodnjo električne energije. Človeštvo je bilo že nekaj časa močno odvisno od izgorevanja fosilnih goriv, kot so nafta, premog in zemeljski plin, kot virov toplotne energije. Zaskrbljenost zaradi onesnaževanja, podnebnih sprememb in neobnovljivosti pa je povzročila veliko zanimanja za alternative.
En vir, ki se izkorišča, je geotermalna energija. Zemlja ima staljeno jedro, za katerega se domneva, da ima temperaturo 5,432-9,032°F (3,000-5,000°C). Ta visoka temperatura je delno posledica toplote, ki je ostala pri nastanku Zemlje, ujeta pod izolacijskimi plastmi kamnin v skorji, in deloma zaradi razpada radioaktivnih elementov. Med jedrom in skorjo leži plašč, vroče, poltekoče območje, ki poganja tektoniko plošč in vulkanske izbruhe. Na zemeljski skorji je veliko “vročih točk”, kjer je ta toplota blizu površine in jo je mogoče izkoristiti na različne načine.
Geotermalna toplota se lahko uporablja neposredno za ogrevanje domov ali za proizvodnjo električne energije. Gejzirji so že pripravljen vir tople vode, vendar večina geotermalnih projektov vključuje vrtanje lukenj in črpanje vode vanje. Voda se segreje pod površjem in ponovno izčrpa, da zagotovi energijo. Geotermalna energija, strogo gledano, ni obnovljiv vir energije, je pa iz jedra tako ogromna zaloga toplote, da je v doglednem času ne bo zmanjkalo.
Čeprav je sončno energijo mogoče izkoriščati za proizvodnjo električne energije neposredno prek sončnih kolektorjev, je drugo področje, ki se raziskuje, sončna toplotna energija. To vključuje zajemanje toplote sonca za zagotavljanje električne energije ali tople vode. To se lahko uporablja za centralno ogrevanje v domovih, kjer se voda ali druga tekočina črpa skozi posodo, ki prejema sončno svetlobo, kar zviša njeno temperaturo. Druga možnost je, da se sončna toplota uporablja za pogon mehanskih naprav, ki proizvajajo električno energijo, ali pa jo lahko usmerimo s konveksnimi ogledali na način, da zagotovimo toploto za kuhanje ali druge namene. To idejo je mogoče sprejeti tudi v večjem obsegu za prekuhavanje vode, ki poganja turbino, ali za izgradnjo “sončne peči”, ki lahko doseže ekstremne temperature, potrebne za nekatere industrijske procese.