Atomi un molekulas, kas veido vielu, atrodas pastāvīgā kustībā. Šī kustība nodrošina materiāla temperatūru: jo vairāk molekulas pārvietojas, jo augstāka ir temperatūra. Siltuma enerģija ir vienkārši enerģija, kas piemīt vielai tās atomu vai molekulu kustības dēļ. Ir svarīgi to nejaukt ar siltumu, kas ir enerģija, kas tiek pārnesta no vienas vietas uz otru. Cilvēki jau sen ir izmantojuši siltumenerģiju ēdiena gatavošanai, apkurei, elektroenerģijas ražošanai un rūpniecībai.
Radiācija, vadītspēja un konvekcija
Siltums tiek definēts kā enerģija, kas tiek pārnesta no viena reģiona uz otru, vienmēr plūstot no augstākas temperatūras zonas uz zemāku temperatūru. To var pārnest ar infrasarkano starojumu, kas ir elektromagnētiskā starojuma veids ar dažādu viļņu garumu diapazonu, kas atrodas starp radioviļņiem un redzamo gaismu. Tas mijiedarbojas ar vielu, liekot molekulām pārvietoties ar lielāku ātrumu, ko uzskata par temperatūras paaugstināšanos: materiāls kļūst silts vai karsts, jo enerģija no starojuma avota ir pārnesta uz materiālu, kas to absorbē. Piemēram, ja objekts tiek turēts liesmas tuvumā, tas kļūst karsts liesmas infrasarkanā starojuma dēļ.
Pārsūtīšana var notikt arī ar divām citām metodēm. Vadīšanas laikā molekulu kustība karstā reģionā palielina kustību vēsākos apgabalos, jo molekulas saduras viena ar otru. Piemēram, ja metāla karote tiek turēta liesmā, otrs karotes gals galu galā kļūs karsts.
Konvekcija ietver tāda gāzes vai šķidruma apgabala kustību, kas ir siltāks par apkārtni. Piemēram, Saule silda zemi, kas savukārt silda gaisu, kas pēc tam virzās uz augšu, jo siltais gaiss ir mazāk blīvs nekā vēsāks gaiss augšpusē. Tā ir konvekcija, kas virza pasaules laikapstākļu sistēmas, jo siltais gaiss no tropiem paceļas un izplūst uz āru.
Siltumenerģija un matērija
Siltuma enerģija var izraisīt izmaiņas vielas stāvoklī. Ja molekulas cietā vielā pietiekami palielina savu kustību, tā izkusīs un kļūs par šķidrumu. Turpmāka palielināšana izraisīs šķidruma vārīšanos un kļūs par gāzi, lai gan šķidrumiem ir tendence iztvaikot arī temperatūrā, kas ir krietni zem viršanas temperatūras, jo dažas molekulas kustēsies pietiekami ātri, lai izkļūtu no šķidruma. Tā kā molekulas gāzē pārvietojas ātrāk nekā šķidrumā, gāzei ir vairāk enerģijas. Tāpēc svīšana cilvēkus atvēsina: sviedriem iztvaikojot, tie atņem ķermenim siltumu.
Siltumenerģijas izmantošana
Siltumenerģijas izmantošana tieši vai elektroenerģijas ražošanai izraisīja industriālo revolūciju. Tas ļāva plašā mērogā ražot dzelzi un tēraudu un ražoja tvaiku, lai darbinātu turbīnas, ko izmanto elektroenerģijas ražošanai. Cilvēce kādu laiku ir bijusi ļoti atkarīga no fosilā kurināmā, piemēram, naftas, ogļu un dabasgāzes, sadedzināšanas kā siltumenerģijas avotiem. Tomēr bažas par piesārņojumu, klimata pārmaiņām un neatjaunojamību ir izraisījušas lielu interesi par alternatīvām.
Viens no izmantotajiem avotiem ir ģeotermālā enerģija. Zemei ir izkusis kodols, kura temperatūra, domājams, ir 5,432–9,032 °C (3,000–5,000 °F). Šo augsto temperatūru daļēji rada siltums, kas palicis no Zemes veidošanās, kas ir iesprostots zem izolējošajiem iežu slāņiem garozā, un daļēji no radioaktīvo elementu sabrukšanas. Starp kodolu un garozu atrodas mantija, karsts, daļēji šķidrs reģions, kas virza plātņu tektoniku un vulkānu izvirdumus. Zemes garozā ir daudz “karsto punktu”, kur šis siltums atrodas tuvu virsmai un to var izmantot dažādos veidos.
Ģeotermālo siltumu var izmantot vai nu tieši, lai nodrošinātu māju apkuri vai elektroenerģijas ražošanai. Geizeri ir gatavs karstā ūdens avots, taču lielākā daļa ģeotermālo projektu ir saistīti ar caurumu urbšanu un ūdens sūknēšanu tajos. Ūdens tiek uzkarsēts zem virsmas un atkal tiek izsūknēts, lai nodrošinātu enerģiju. Ģeotermālā enerģija, stingri ņemot, nav atjaunojams enerģijas avots, taču no kodola tiek piegādāts tik milzīgs siltuma daudzums, ka tas pārskatāmā nākotnē neizsīks.
Lai gan saules enerģiju var izmantot, lai ražotu elektroenerģiju tieši caur saules paneļiem, vēl viena izpētītā joma ir saules siltumenerģija. Tas ietver siltuma uztveršanu no Saules, lai nodrošinātu enerģiju vai karstu ūdeni. To var izmantot centrālapkurei mājās, kur ūdens vai cits šķidrums tiek sūknēts caur tvertni, kas saņem saules gaismu, paaugstinot tā temperatūru. Alternatīvi, saules siltumu var izmantot, lai darbinātu mehāniskas ierīces, kas ģenerē elektrību, vai arī to var fokusēt ar izliektiem spoguļiem tā, lai nodrošinātu siltumu ēdiena gatavošanai vai citiem mērķiem. Šo ideju var izmantot arī plašākā mērogā, lai uzvārītu ūdeni, kas darbina turbīnu, vai izveidotu “saules krāsni”, kas var sasniegt ekstremālās temperatūras, kas nepieciešamas dažiem rūpnieciskiem procesiem.