Κάθε σώμα αποτελείται από μικροσκοπικά σωματίδια, τα οποία ονομάζουμε δομικούς λίθους. Αυτά είναι συνήθως μόρια, άτομα ή ιόντα τα οποία βρίσκονται διαρκώς σε κίνηση, και ασκούν δυνάμεις μεταξύ τους. Μάλιστα, ανάλογα με το πόσο ισχυρές είναι οι δυνάμεις, και πόσο κοντά βρίσκονται μεταξύ τους, ένα σώμα μπορεί να είναι είτε σε στερεή κατάσταση, είτε σε υγρή, είτε σε αέρια κατάσταση.

Πώς σχετίζεται η συμπεριφορά των δομικών λίθων που φτιάχνουν ένα σώμα με τη θερμοκρασία του;

Όσο υψηλότερη είναι η θερμοκρασία ενός σώματος, τόσο μεγαλύτερη κινητική ενέργεια έχουν οι δομικοί του λίθοι και τόσο πιο άτακτη η κίνησή τους.

Τι σημαίνει αυτό στην πράξη;
 Έστω ότι βάζουμε μία μεταλλική ράβδο μέσα σ’ ένα δοχείο με καυτό νερό. Το νερό βρίσκεται σε πολύ μεγαλύτερη θερμοκρασία και έτσι οι δομικοί του λίθοι έχουν πολύ μεγάλη κινητική ενέργεια. Καθώς λοιπόν συγκρούονται με τους αντίστοιχους δομικούς λίθους της ράβδου, μεταφέρεται ενέργεια από το νερό στη ράβδο και τα μόρια της ράβδου αποκτούν μεγαλύτερη κινητική ενέργεια. Τελικά, η θερμοκρασία της ράβδου αυξάνεται, ενώ του νερού ελαττώνεται.

 Έτσι λοιπόν:
Η μεταφορά ενέργειας μεταξύ των δομικών λίθων μέσω συγκρούσεων αντιστοιχεί στη μεταφορά θερμότητας μεταξύ των σωμάτων. Φυσικά, όταν τα δύο σώματα έρθουν σε θερμική ισορροπία, παύει να μεταφέρεται θερμότητα από το ένα στο άλλο.

Τι είναι η θερμική ενέργεια;

Με τον όρο θερμική ενέργεια αναφερόμαστε στην συνολική κινητική ενέργεια που έχουν οι δομικοί λίθοι ενός σώματος, λόγω της άτακτης κίνησής τους. Εξαρτάται από τη θερμοκρασία και από τη μάζα του σώματος, αλλά είναι διαφορετική έννοια από την θερμοκρασία.

Ενώ η θερμική ενέργεια είναι η συνολική κινητική ενέργεια των δομικών λίθων ενός σώματος, η θερμοκρασία του συνδέεται με τη μέση κινητική ενέργεια των δομικών του λίθων. Μπορεί λοιπόν δύο σώματα να έχουν την ίδια θερμοκρασία, αλλά διαφορετική θερμική ενέργεια.

Για παράδειγμα, μία κατσαρόλα με νερό που βράζει έχει την ίδια θερμοκρασία με μία κούπα νερό που βράζει. Ωστόσο, η κατσαρόλα νερό έχει πολλή περισσότερη μάζα, οπότε και περισσότερη θερμική ενέργεια.

Τι είναι η εσωτερική ενέργεια;

Για να περιγράψουμε την ενέργεια των δομικών λίθων ενός σώματος, εισάγουμε την έννοια της εσωτερικής ενέργειας που έχει ένα σώμα. Με τον όρο εσωτερική ενέργεια περιγράφουμε ουσιαστικά την κινητική και τη δυναμική ενέργεια που έχουν συνολικά οι δομικοί λίθοι του σώματος. Είναι γενικά μια παρόμοια έννοια με την συνολική μηχανική ενέργεια που έχει ένα σώμα. Η διαφορά με την μηχανική ενέργεια είναι ότι η εσωτερική ενέργεια αναφέρεται στο εσωτερικό του σώματος, στον μικρόκοσμό του δηλαδή.

Θερμική διαστολή και συστολή

Γιατί “ανεβαίνει” η στάθμη του υδράργυρου, όταν το θερμόμετρο θερμαίνεται; Γιατί αφήνονται να “κρέμονται” τα καλώδια ρεύματος από στύλο σε στύλο, αντί να είναι τεντωμένα; Γιατί “σφηνώνει” το μεταλλικό καπάκι ενός γυάλινου βάζου, όταν το αφήνουμε στο ψυγείο;

Σχεδόν όλα τα σώματα, είτε στερεά, υγρά ή αέρια, διαστέλλονται (δηλαδή αυξάνεται ο όγκος τους) όταν αυξάνεται η θερμοκρασία τους. Αυτό το φαινόμενο το ονομάζουμε θερμική διαστολή.

Το αντίθετο αυτού του φαινομένου, είναι η θερμική συστολή, δηλαδή, όταν ένα σώμα ψύχεται, τότε μικραίνει ο όγκος του.