Ջերմային էներգիան համակարգի այն էներգիան է, որը պատասխանատու է նրա ջերմաստիճանի համար։ Ջերմությունը ջերմային էներգիայի հոսքն է։ Ֆիզիկայի ջերմադինամիկա բաժինն ուսումնասիրում է տարբեր համակարգերի միջև ջերմափոխանակությունը, և թե ինչպես է կատարվում աշխատանքն այդ գործընթացում (տե՛ս ջերմադինամիկայի առաջին օրենքը)։

Մեխանիկական խնդիրների համատեքստում մեզ հետաքրքրում է, թե ինչ դեր է խաղում ջերմային էներգիան էներգիայի պահպանման ժամանակ։ Իրական կյանքում ֆիզիկական համակարգերում էներգիայի գրեթե ամեն մի փոխանցում տեղի է ունենում 100%-ից փոքր արդյունավետությամբ, ինչի արդյունքում առաջանում է ջերմային էներգիա։ Այս էներգիան սովորաբար ցածր մակարդակի ջերմային էներգիայի տեսքով է։ Այստեղ ցածր մակարդակի ջերմային էներգիա ասելով՝ նկատի ունենք, որ ջերմաստիճանը հավասար է շրջակա միջավայրի ջերմաստիճանին։ Քանի որ կատարված աշխատանքը կարող ենք ստանալ այն դեպքում, երբ կա ջերմաստիճանի տարբերություն, ուստի ցածր մակարդակի ջերմային էներգիան ներկայացնում է էներգիայի փոխանցման «ճանապարհի ավարտը»։ Դրանից հետո հնարավոր չէ օգտակար աշխատանք կատարել, քանի որ էներգիան «կորչում է շրջակա միջավայրում»։

Դիտարկենք այն դեպքը, երբ տղամարդը հրում է հարթ հատակին դրված տուփը հաստատուն արագությամբ, ինչպես որ պատկերված է նկար 1-ում։ Քանի որ շփման ուժը ոչ պոտենցիալային է, ուստի կատարված աշխատանքը չի պահպանվում պոտենցիալ էներգիայի տեսքով։ Շփման ուժի կատարած ամբողջ աշխատանքի արդյունքում տուփ–հատակ համակարգի էներգիան փոխակերպվում է ջերմային էներգիայի։ Արդյունքում այդ էներգիան հանգեցնում է տուփի և հատակի ջերմաստիճանների բարձրացման։

Տուփ–հատակ համակարգի ամբողջ ջերմային $\mathrm{\Delta }{E}_{Ջ}$‍ էներգիան կարող ենք գտնել՝ որոշելով շփման ուժի կատարած ամբողջ աշխատանքը, երբ մարդը հրում է տուփը։ Հիշեք, որ տուփը շարժվում է հաստատուն արագությամբ, ինչը նշանակում է, որ շփման ուժն ու կիրառված ուժը մեծությամբ հավասար են։ Այդ պատճառով էլ այս երկու ուժերի կատարած աշխատանքը միմյանց հավասար է։

Օգտվելով մարմնի շարժման ուղղությանը զուգահեռ ազդող ուժի կատարած աշխատանքի սահմանումից և այն հանգամանքից, որ մարմինը շարժման ընթացքում անցել է $d$‍ ճանապարհ, կստանանք.

Եթե սահքի շփման գործակիցը ${\mu }_{ս}$‍ է, ապա այս արտահայտությունը կարող ենք ներկայացնել նաև հետևյալ կերպ.

Վարժություն 1ա․ Ենթադրենք, թե նկար 1-ում պատկերված մարդը հրում է տուփը՝ պահպանելով հաստատուն արագություն։ Տուփի զանգվածը $100\mathrm{կ}\mathrm{գ}$‍ է և անցնում է $100\mathrm{մ}$‍ ճանապարհ։ Տուփի և հատակի միջև սահքի շփման գործակիցը՝ ${\mu }_{ս}=0,3$‍։ Որքա՞ն ջերմային էներգիա կհաղորդվի տուփ–հատակ համակարգին։

Վարժություն 1բ․ Երբ մարդը հրում է տուփը, ապա ապավինում է իր կոշիկների ներբանների և հատակի միջև շփմանը։ Տուփը հրելիս տեղի՞ է ունենում արդյոք մարդու կոշիկների ջերմային էներգիայի փոփոխություն։

Դիմադրության ուժը, որ ազդում է շարժվող մարմնի վրա հեղուկի կամ գազի կողմից, ինչպես, օրինակ՝ օդի կամ ջրի կողմից, մեկ այլ՝ ոչ պոտենցիալ ուժի օրինակ է։

Երբ մարմինը շարժվում է հեղուկի (կամ գազի) միջով, իմպուլսի մի մասը փոխանցվում է հեղուկին, և վերջինս սկսում է շարժվել։ Եթե մարմինը նույնիսկ կանգ առնի, միևնույնն է, հեղուկը որոշ ժամանակ կշարունակի շարժվել։ Պատճառն այն է, որ հեղուկի լայնամասշտաբ շարժումն ի վերջո բաշխվում է նրա մոլեկուլների պատահական շատ փոքր շարժումների միջև։ Այս շարժումներն էլ ներկայացնում են համակարգում ջերմային էներգիայի աճը։

Նկար 2–ում պատկերված է մի համակարգ, որտեղ ջերմամեկուսացած ջրի բաքում իջեցված է մի լիսեռ։ Լիսեռին ամրացված երկու թիերը պտտում են այն իր առանցքի շուրջը։ Այս համակարգում ցանկացած աշխատանք, որ կատարվում է լիսեռը պտտելու համար, հանգեցնում է ջրին կինետիկ էներգիա փոխանցելուն։ Եթե դադարեցնել լիսեռը շարժելը, միևնույնն է, ականատես կլինենք մնացորդային շարժման։ Սակայն ի վերջո լիսեռը կդադարի շարժվելուց, և արդյունքում կունենանք ջրի ջերմային էներգիայի աճ։

Հետաքրքրական է, որ նկար 2-ում պատկերված համակարգի նման մի համակարգ օգտագործվել է Ջեյմս Պրեսքոթ Ջոուլի (1818–1889) կողմից, որի համար էլ միավորների ՄՀ–ում էներգիայի միավորը համարվում է ջոուլը։ Օգտագործելով կետի յուղի բաքի մեջ ընկղմված անվավոր թիակը, որը շարժվում էր իր քաշի անկման հաշվին, նա կարողացավ որոշել մեխանիկական էներգիայի և ջերմաքանակի հարաբերությունը: Սա հանգեցնում է էներգիայի պահպանման և ջերմադինամիկայի առաջին օրենքին։

Վարժություն 2ա․ Ենթադրենք, թե նկար 2-ում պատկերված թիակի անիվը պտտվում է էլեկտրական շարժիչով, որի ելքային հզորությունը 30 րոպում 10 Վտ է: Որքա՞ն ջերմային էներգիա է փոխանցվում ջրին:

Վարժություն 2բ (լրացված)․ Եթե բաքն ի սկզբանե պարունակում է $1\mathrm{լ}$‍ հեղուկ, որի ջերմաստիճանը ${10}^{\circ }\mathrm{C}$‍ է, ապա որքա՞ն կլինի ջրի ջերմաստիճանը շարժիչի կանգ առնելուց հետո և ջրի անկանոն շարժման դադարեցումից հետո։