يستخدم معظم الناس كلمة الحرارة لوصف شيء يسبب الشعور بالدفء، ولكن في العلم، تُعرَّف معادلات الديناميكية الحرارية، على وجه الخصوص، الطاقة الحرارية على أنها تدفق الطاقة بين نظامين عن طريق الطاقة الحركية.
يمكن أن يأخذ هذا شكل نقل الطاقة من جسم دافئ إلى جسم أكثر برودة. ببساطة، يتم نقلها، التي تسمى أيضًا الحرارة، من موقع إلى آخر عن طريق ارتداد الجزيئات إلى بعضها البعض.
تحتوي كل المواد على طاقة حرارية، وكلما زادت قيمتها الموجودة، زادت سخونة مادة أو منطقة منها.
درجة الحرارة والطاقة الحرارية.
يعتبر التمييز بين الطاقة الحرارية (Thermal Energy) ودرجة الحرارة (Temperature) دقيقًا ولكنه مهم جدًا. تشير الطاقة الحرارية إلى نقل الطاقة بين الأنظمة (أو الأجسام). في حين يتم تحديد درجة الحرارة من خلال الطاقة الموجودة في نظام فردي (أو جسم).
بمعنى آخر، الحرارة هي طاقة، بينما درجة الحرارة هي مقياس للطاقة. ستؤدي إضافة الحرارة إلى زيادة درجة حرارة الجسم بينما يؤدي إزالة الحرارة إلى خفض درجة الحرارة، وبالتالي فإن التغيرات في درجة الحرارة تكون نتيجة لوجود الحرارة، أو العكس، نقص الحرارة. [1]
يمكنك قياس درجة حرارة الغرفة عن طريق وضع مقياس حرارة في الغرفة وقياس درجة حرارة الهواء المحيط. يمكنك إضافة حرارة إلى الغرفة عن طريق تشغيل التدفئة. مع إضافة الحرارة إلى الغرفة، ترتفع درجة الحرارة.[1]
تمتلك الجسيمات طاقة أكبر في درجات الحرارة المرتفعة، وبالتالي طاقة حرارة أعلى. ومع انتقال هذه الطاقة من نظام إلى آخر، فإن الجسيمات سريعة الحركة ستصطدم بجزيئات تتحرك ببطء.
أثناء تصادمها، سينقل الجسيم الأسرع بعض طاقته إلى الجسيم الأبطأ، وستستمر العملية حتى تعمل جميع الجسيمات بنفس المعدل. وهذا ما يسمى بالتوازن الحراري.
إقرأ أيضاً… إنتاج الطاقة من مصادر الطاقة الحرارية الجوفية.
معادلة الطاقة الحرارية.
تكون الطاقة الداخلية لنظام ديناميكي حراري في حالة توازن يتناسب مع درجة حرارته المطلقة ويزيد أو ينقص عن طريق نقل الطاقة. عادة في شكل حرارة أو شغل، من خلال العمليات الديناميكية الحرارية.[1]
على المستوى المجهري وضمن إطار النظرية الحركية، هو إجمالي متوسط الطاقة الحركية الموجودة نتيجة الحركات العشوائية للذرات والجزيئات أو التحريض الحراري، والتي تختفي في الفعل.
يمكن حساب الطاقة الحرارية عن طريق المعادلة التالية:[2]
مقدار انتقال الطاقة الحرارية = الكتلة * السعة الحرارية النوعية * (درجة الحرارة النهائية – درجة الحرارة الأولية)
ويعبر عنه رياضياً باستخدام المعادلة:
Q = m * cp (Tf – Ti)
حيث أن:
- Q: مقدار الطاقة المنتقلة
- m: الكتلة
- cp: السعة الحرارية النوعية
- Tf: درجة الحرارية النهائية
- Ti: درجة الحرارة الأولية
وحدات قياس الطاقة الحرارية.
وحدة SI لقياس الطاقة الحرارية تسمى الجول (J). غالبًا ما تُقاس الحرارة أيضًا بالسعرات الحرارية، والتي تُعرَّف على أنها “كمية الحرارة المطلوبة لرفع درجة حرارة جرام واحد من الماء من 14.5 درجة مئوية إلى 15.5 درجة مئوية”.[2]
تقاس الحرارة أحيانًا أيضًا بـ “الوحدات الحرارية البريطانية” أو Btu.
إقرأ أيضاً… تعريف العشوائية أو الانتروبيا (Entropy) في الديناميكا الحرارية.
انتقال الطاقة الحرارية.
في المعادلات الفيزيائية، عادةً ما تتم الإشارة إلى مقدار الحرارة المنقولة بالرمز Q. ويمكن الإشارة إلى انتقال الحرارة إما برقم موجب أو سالب.
تتم كتابة الحرارة التي يتم إطلاقها في المناطق المحيطة على أنها كمية سالبة (Q <0). عندما يتم امتصاص الحرارة من المناطق المحيطة، تتم كتابتها كقيمة موجبة (Q> 0).
طرق انتقال الحرارة.
هناك ثلاث طرق أساسية لنقل الحرارة: الحمل الحراري والتوصيل والإشعاع.
يتم تسخين العديد من المنازل من خلال عملية الحمل الحراري، والتي تنقل الطاقة الحرارية من خلال الغازات أو السوائل. في المنزل، مع تسخين الهواء، تكتسب الجزيئات طاقة حرارية تسمح لها بالتحرك بشكل أسرع، مما يؤدي إلى ارتفاع درجة حرارة الجسيمات الباردة.[3]
نظرًا لأن الهواء الساخن أقل كثافة من الهواء البارد، فسوف يرتفع. عندما يسقط الهواء الأكثر برودة، يمكن سحبه إلى أنظمة التدفئة لدينا مما سيسمح مرة أخرى للجزيئات الأسرع بتسخين الهواء.
يعتبر هذا تدفقًا دائريًا للهواء ويتم تسميته بتيار الحمل الحراري. هذه التيارات تدور حول منازلنا وتدفئتها.
عملية التوصيل هي نقل الطاقة الحرارية من مادة صلبة إلى أخرى، في الأساس، شيئان مؤثران. يمكننا أن نرى مثالاً على ذلك عندما نضع الوعاء على الموقد. عندما نضع المقلاة الباردة على الموقد الساخن، تنتقل الطاقة من الموقد إلى المقلاة، والتي بدورها تسخن.[3]
الإشعاع هو عملية تتحرك فيها الحرارة عبر أماكن لا توجد فيها جزيئات، وهي في الواقع شكل من أشكال الطاقة الكهرومغناطيسية. أي عنصر يمكن الشعور بحرارته بدون اتصال مباشر يشع طاقة.[3]
يمكنك أن ترى هذا في حرارة الشمس، والشعور بالحرارة المنبعثة من نار على بعد عدة أمتار، وحتى في حقيقة أن الغرف المليئة بالناس ستكون بشكل طبيعي أكثر دفئًا من الغرف الفارغة لأن جسم كل شخص يشع حرارة.
المصادر:
[1] What is Thermal Energy? – KhanAcademy.org
[2] Thermal Energy Formula – SoftSchools.com
[3] Energy Transfers and Transformations – Education.NationalGeographic.org
