Lämpöenergia
Lämpöenergia ja lämpö

Lämpö, sanan termodynaamisessa merkityksessä, on vain prosesseihin liittyvä käsite. Sillä tarkoitetaan lämpötilaeron vuoksi paikasta tai aineesta toiseen siirtyvää energiaa. Tämän vuoksi ilmaisuja "lämpö" ja "lämmön siirtyminen" voidaan teknisinä termeinä käyttää toistensa synonyymeinä, sillä lämpö käsitetään aina siirtyväksi. Siirtyvän lämmön määrää kuvaava suure on lämpömäärä. Kun lämpönä siirtynyt energia ei enää siirry systeemistä toiseen vaan siitä on tullut staattista, sitä ei enää sanota lämmöksi vaan siitä käytetään muita nimityksiä kuten lämpöenergia tai latentti energia. Lämpö ei siis ole aineen staattinen ominaisuus. Aine ei sisällä lämpöä vaan termistä energiaa eli lämpöenergiaa, ja lämpöenergiakin voi muuttua muiksi energian muodoiksi tai päinvastoin, joten sen voidaan katsoa säilyvän vain, kun tällaiset energian muodon­muutokset ovat vähäisiä. Lämpöteho on lämpönä paikasta toiseen siirtyvä energia aikayksikköä kohti.
Termodynamiikan nollannen pääsäännön mukaan lämpö siirtyy toisesta keskenään kosketuksessa olevista systeemeistä toiseen vain, jos niillä on eri lämpötila. Tällöin energia siirtyy lämpönä kuumemmasta kylmempään, jolloin kuumemman systeemin lämpöenergia vähenee, kylmemmän lämpöenergia kasvaa. Siirtyvä energia voi ilmetä myös työnä, jolla esimerkiksi puristetaan systeemiä pienempään tilavuuteen. Lämpö­voima­koneet käyttävätkin tätä energian siirtymistä mekaanisen työn tekemiseen. Kun kaksi systeemiä ovat saavuttaneet termo­dynaamisen tasa­painon, niillä on sama lämpötila, jolloin lämpöenergian siirtyminen systeemistä toiseen lakkaa.
Tutkittaessa tapahtumia tietyn systeemin kannalta on oletettava, että tällä systeemillä on jokin selvästi määriteltävissä oleva rajapinta. Jos lämpö tulee ulkopuolelta systeemiin, sanotaan systeemin sisäenergian muutosta positiiviseksi, kun taas jos lämpö poistuu systeemistä, sisäenergian muutosta sanotaan negatiiviseksi.
Edellä esitetyn määritelmän mukaan lämpö ei ole itse systeemin ominaisuus, eikä systeemi sisällä lämpöä. Sitä vastoin lämpöenergiaa on rajapinnan molemmilla puolilla. Se on systeemin muodostavien hiukkasten epäsäännölliseen liikkeeseen liittyvän liike-energian kokonais­määrä. Itse asiassa lämpö­energiaa siirtyy koko ajan systeemistä toiseen silloinkin, kun niiden lämpötila on sama eli ne ovat termo­dynaamisessa tasapainossa. Silloin energiaa kuitenkin siirtyy molempiin suuntiin yhtä paljon, joten netto­määräinen energian siirto on nolla eikä lämpöä esiinny.
Systeemin lämpöenergia voi kasvaa muullakin tavalla kuin siihen tulevan lämmön vuoksi, esimerkiksi kun siihen tehdään mekaanista tai sähköistä työtä. Ei ole kvalitatiivista eroa eri tavoin lisättyjen lämpö­energioiden välillä. Lämpö­energia ei olekaan tilanfunktio, vaikkakin se liittyy läheisesti joidenkin systeemien sisäenergiaan, joka on tilanfunktio. Klassisessa termodynamiikassa ei myöskään ole tarvetta luonnehtia lämpöenergiaa atomien tai molekyylien käyttäytymisen avulla. Systeemin lämpöenergian muutos on sen entropian muutoksen ja lämpötilan tulo.
Lämmön siirtyminen rajapinnan yli voi aiheuttaa muitakin muutoksia kuin lämpötilan muutoksen. Esimerkiksi se voi saada aikaan olomuodon muutoksia kuten sulamisen tai höyrystymisen, mitkä ovat aineen rakenteen muutoksia. Koska tällaista energian siirtymistä ei havaita lämpötilan muutoksena, sitä sanotaan latenttilämmöksi, ja se kuvaa systeemin potentiaali­energian muutosta.