ربما لم تفكر كثيرًا في الطاقة الحرارية، لكن قوة الطبيعة هذه تحيط بنا كل يوم. من فنجان قهوتك الصباحية إلى الطرق التي تشغل بها أجهزتك المنزلية، فهي تعد جزءًا من حياتك سواء أدركت ذلك أم لا.
في مقالتنا التالية، سنلقي نظرة أعمق على هذا النوع من الطاقة، وكيف تعمل، وكيف نستخدمها، وإيجابيات وسلبيات استخدامها في حياتنا اليومية.
ما هي الطاقة الحرارية؟
تم قبول مفهوم الطاقة الحرارية لأكثر من قرن الآن. ومع ذلك، فقد قوبل العلم الذي يقف وراءها بالشكوك والتشكيك عندما اقترحه الفيزيائي الإنجليزي جيمس بريسكوت جول لأول مرة في خمسينيات القرن التاسع عشر.
اقترح جول النظرية الجذرية القائلة بأن الطاقة يمكن أن تتخذ أشكالًا مختلفة – بما في ذلك الحرارة – وكانت هذه الأشكال من الطاقة مترابطة.[1]
لقد أيد فكرته من خلال إثبات أن الحرارة لها مكافئ ميكانيكي، ويمكن تحويل الاثنين من واحد إلى الآخر. أدى عمل جول إلى إنشاء قانون الديناميكا الحرارية المعروف باسم الحفاظ على الطاقة، والذي ينص على أن الطاقة لا يتم تدميرها أبدًا. [1]
هناك فئتان رئيسيتان للطاقة: الطاقة الكامنة والطاقة الحركية. الطاقة الكامنة هي طاقة مخزنة تعتمد على موضع الجسم أو تركيبه. وهي نوع من الطاقة الحركية أو طاقة الحركة.
ما هو القانون الأول للديناميكا الحرارية؟
يتعلق القانون الأول للديناميكا الحرارية بحركة الطاقة وأيضًا كيف تقوم بإنتاج الحركة. يأخذ القانون الأول للديناميكا الحرارية في الاعتبار تأثيرات الضغط والحجم ودرجة الحرارة على أنظمة مثل المحركات البخارية.[2]
باستخدام العلاقات الرياضية، يمكننا فهم كيفية تبادل الطاقة داخل هذه الأنظمة إما بالحرارة أو القدرة على القيام بالعمل. برزت هذه العلاقة بين أنواع مختلفة من الطاقة، بما في ذلك الطاقة الميكانيكية، خلال العصر الصناعي عندما حاول المهندسون تحسين كفاءة المحركات البخارية.[2]
يُعرف المحرك البخاري أيضًا باسم المحرك الحراري. إنها تستخدم الطاقة المقدمة (الحرارة) وتحولها إلى “عمل” – في هذه الحالة، طاقة ميكانيكية – لتشغيل المكابس.
يفترض القانون الأول للديناميكا الحرارية أيضًا أن الطاقة الكلية للنظام لا تتغير أبدًا؛ انها مجرد تغيير الشكل. كان هذا الفهم حاسمًا في تعريف الطاقة الحرارية.
تنتج هذه الطاقة عن “الحركة العشوائية للجزيئات” في مادة ما، والتي تتحرك بواسطة طاقتها الداخلية. كما تُقاس بدفء أو برودة تلك المادة بسبب الطاقة الحركية للجزيئات.[2]
إقرأ أيضاً… ما هي أشكال الطاقة؟ مع أمثلة عليها.
كيف نحدد الطاقة الحرارية؟
تعتبر الطاقة الحرارية مجموع كل الطاقة الحركية الكامنة التي تشكل نظامًا فيزيائيًا. تُعرف هذه الطاقة الحرارية الكلية أيضًا باسم إجمالي الطاقة الداخلية للنظام. يمكن أن تتخذ طاقتها الحركية ثلاثة أشكال:[1]
- اهتزازية: حركة ذرة أو جزيء كاهتزاز. تعمل أفران الميكروويف على تسخين الطعام والسائل الذي نستهلكه عن طريق زيادة الاهتزازات الجزيئية للطعام أو المشروبات.
- الدوران: سرعة دوران الذرة.
- خطية: كائن متحرك يتبع مسارًا خطيًا. الرامي الذي يطلق النار على السهم يعطي السهم طاقة حركية انتقالية.
على الرغم من اعتبار الحرارة والطاقة الحرارية مترادفتين، بالمعنى الدقيق للكلمة من منظور علمي، إلا أنهما ليسا نفس الشيء تمامًا. كما تشير إلى حركة الجزيئات داخل الجسم أو المادة.
كل جسم أو مادة لها طاقة حرارية – الشمس هي أكبر مصدر لها في نظامنا الشمسي. الحرارة هي نقل الطاقة من جسم أو مادة إلى أخرى.
يحتوي موقد العمل العلوي على طاقة حرارية، كما هو الحال مع أي قدر أو غلاية تضعه عليه. يمكن للموقد أن ينقل الحرارة إلى القدر، ثم ينقل القدر الحرارة إلى محتوياته.
درجة الحرارة شيء آخر تمامًا. فدرجة الحرارة هي درجة حرارة الجسم أو البرودة التي يتم قياسها في وقت محدد. درجة الحرارة هي مقياس لمتوسط الطاقة الحركية للجزيئات التي تتكون منها مادة ما.
لا تستطيع درجة الحرارة وحدها القيام بأي عمل مفيد؛ إنها ببساطة درجة الحرارة الحالية لجسم ما. قد يقيس طبيبك درجة حرارتك عندما تذهب لإجراء فحص طبي، والتحقق من ارتفاع درجة الحرارة.[1]
إذا كنت مريضًا، فقد تكون درجة حرارتك أعلى من المعتاد، مما يوضح كيف تكون درجة الحرارة لقطة في وقت سخونة أو برودة شيء ما. بالتعمق في الديناميكا الحرارية، يمكن زيادة الطاقة الحركية لجزيئات المادة عن طريق التسخين.
يشار إلى كمية الحرارة المطلوبة للتأثير على زيادة معينة في درجة الحرارة بالحرارة النوعية. بمعنى آخر، يحدد حجم ووزن الجزيئات السعة الحرارية المحددة اللازمة لزيادة طاقتها الحركية وبالتالي كمية الحرارة المنقولة ومدى ارتفاع درجة الحرارة.
كيف نقيس الطاقة الحرارية؟
عادة ما نقيس الطاقة الحرارية بالجول، وغالبًا ما يتم اختصارها إلى J في النظام الدولي للوحدات (SI unit).
نقوم أيضًا بقياس الطاقة التي يحتفظ بها الوقود ومصادر الطاقة في الوحدات الحرارية البريطانية (Btu)، لمقارنتها على أساس متساوٍ.
واحد Btu هو كمية الحرارة المطلوبة لتسخين رطل واحد من الماء من 39 درجة فهرنهايت إلى 40 درجة فهرنهايت. Btu هو قياس صغير نسبيًا – حرق إصدارات مطابقة حول وحدة Btu واحدة.
كيف يحدث انتقال الطاقة الحرارية؟
يمكن نقل الطاقة الحرارية كحرارة بإحدى الطرق الثلاث:[3]
- التوصيل.
- الحمل.
- الإشعاع
سننظر في كل واحد منهم على حدة، باستخدام نار الشواء وحوض الماء البارد كمثال.
ما هو انتقال الحرارة بالحمل؟
يتضمن الحمل الحراري انتقال الحرارة عبر سائل أو غاز. عندما نجلس وعاء الماء البارد على نار الشواء، تنتقل الطاقة الحرارية إلى الماء. ما يحدث يسمى الحمل الحراري.[3]
عندما يسخن الماء، يصبح أقل كثافة ويرتفع. ثم يسخن الماء الأكثر كثافة وبرودة في التيارات الحرارية. من المحتمل أن تكون على دراية بمبدأ أن الهواء الدافئ يرتفع بينما يغرق الهواء البارد.[3]
يعمل هذا المبدأ في كل من السوائل والغازات. عند تسخينها، تتمدد المادة الأكثر دفئًا، سواء كانت سائلة أو هوائية، وتتحرك إلى الأعلى. في النهاية، تنتشر الحرارة في جميع أنحاء السائل أو الغاز.
ما هو انتقال الحرارة بالتوصيل؟
التوصيل هو انتقال الحرارة الداخلي في جسم ما، سواء كان صلبًا أو سائلًا أو غازيًا. بالعودة إلى المقلاة لدينا، يحدث التوصيل عندما تتدفق الحرارة عبر المقلاة إلى مقبضها، مما يؤدي إلى ارتفاع درجة حرارة المقبض.
يعني التوصيل أن الطاقة الحرارية لجسم ساخن عند درجة حرارة أعلى تتدفق إلى جسم أكثر برودة عند درجة حرارة منخفضة. يحدث التوصيل بشكل مختلف اعتمادًا على ما إذا كانت المادة الصلبة معدنًا أم غير معدني.[3]
كما تتوقع، فإن المعادن تنقل الحرارة بشكل أفضل. والسبب هو أن الإلكترونات الموجودة في ذرات المعدن يمكنها أن تتحرر وتتحرك ويمكنها أن تفعل ما هو أسرع بكثير مما لو كانت ذرات غاز أو غير معدنية.
تختلف العملية قليلاً في المواد الصلبة غير المعدنية. عند تسخينها، تنتقل الطاقة الحرارية من ذرة إلى أخرى بسبب تأثيرات الاهتزازات. لكن العملية وتدفق الطاقة أبطأ لأن الذرات ثابتة.
ما هو انتقال الحرارة بالإشعاع؟
يحدث الإشعاع، وهو النوع الثالث من نقل الطاقة، في الموجات التي تنتقل بسرعة الضوء. لا يحتاج إلى مادة أو شيء للتنقل عبره.[3]
الشمس هي أفضل مثال على هذا الإشعاع، نقل الطاقة عن طريق الموجات الكهرومغناطيسية، السفر عبر الفضاء كموجة ضوئية، أو الإشعاع الكهرومغناطيسي.
تلاحظ تغيرًا في درجة الحرارة عندما تخرج من الظل إلى ضوء الشمس في يوم مشمس. لا يمكن أن تصل حرارة الشمس إلى الأرض عن طريق الحمل الحراري أو التوصيل، لا توجد طريقة لتصطدم الجزيئات بسبب عدم تلامس الأسطح.
يحدث التوازن الحراري عندما لا تتبادل الأجسام الموجودة في نفس درجة الحرارة داخل نفس النظام أي طاقة حرارية على وجه التحديد لأنها في نفس درجة الحرارة. لا يوجد فرق في درجة الحرارة بين الأجسام.[3]
لماذا كان الغاز المثالي مهمًا جدًا لفهم الطاقة الحرارية؟
قضى الكيميائيون سنوات في محاولة لإيجاد معادلة لعلاقة جزيء الغاز بمحيطه، بما في ذلك طاقته الحرارية. كانت المشكلة دائمًا أن هناك عوامل، مثل القوى بين الجزيئات، تتداخل مع النتائج.[4]
لم يتوانى الكيميائيون عن اختراع غاز افتراضي افتراضي يسمى الغاز المثالي، وهو الغاز الذي يتصرف بإتزان. ساعد مفهوم هذا الغاز المثالي الكيميائيين على فهم العديد من المفاهيم حول الغاز وسلوكه، بما في ذلك العلاقة بين ضغط الغاز والحجم بالنسبة لدرجة حرارته.[4]
ولد مفهوم الغاز المثالي قانون الغاز المثالي ومعادلة الغاز المثالية. سمحت هذه المفاهيم للكيميائيين باكتشاف أن ضغط الغاز يتناسب طرديا مع درجة حرارته وعدد الجزيئات. يسمح الغاز المثالي للكيميائيين بقياس الطاقة الحرارية للغاز.
كيف نستفيد من الطاقة الحرارية؟
هناك عدة أشكال من الطاقة الحرارية. الأكثر وضوحًا هو عندما نقوم بتسخين الماء في حماماتنا، أو نضع الغلاية على الموقد حتى يغلي، أو نستخدم المكواة على ملابسنا.
هنا نستفيد من الخاصية المتأصلة للطاقة الحرارية ليتم نقلها على شكل حرارة لاستخدامنا. تشمل الأشكال الأخرى لها الطاقة الشمسية، والأرضية، والمحيطات، وبطاريات خلايا الوقود.
يحظى استخدام الطاقة الحرارية بالكثير من الاهتمام باعتباره مفضلًا لمصادر الطاقة النموذجية التي قد تساهم في انبعاثات غازات الاحتباس الحراري. لكنها يمكن أن تشكل أيضًا مخاطر على البيئة.
كيف نستخدم الطاقة الحرارية الشمسية؟
يتم الحصول على الطاقة الحرارية الشمسية عادة باستخدام عاكسات وأجهزة استقبال تجمع وتركز أشعة الشمس. فهي تزيد من طاقة الشمس إلى عدة أضعاف قوتها الطبيعية، مع زيادة بعض الأنظمة من شدتها إلى أكثر من 100 مرة من المعتاد.[5]
تركز هذه التقنيات عادةً طاقة الشمس على أنبوب يحتوي على سائل ناقل للحرارة يستخدم لتنشيط توربينات مائية لإنتاج الكهرباء. تحتوي بعض الأنظمة أيضًا على نظام تخزين يتيح لها الاحتفاظ بالطاقة ليلا وأوقات أخرى عندما لا يكون هناك ضوء الشمس.
يضمن هذا النظام توفير الطاقة باستمرار. على الرغم من قيمتها العالية كمصدر للطاقة النظيفة والمتجددة للتدفئة والتبريد، إلا أن أنظمة الطاقة الشمسية لها بعض العيوب.[5]
من بين عيوبها أنها تتطلب قطعًا كبيرة من الأرض لتكون قابلة للتنفيذ، وأحيانًا تصل إلى 10 أفدنة لكل ميغاواط من الطاقة المنتجة. وتشمل القضايا الأخرى حاجتهم إلى إمدادات كبيرة من المياه والتكاليف المرتفعة لهذه الأنظمة.
كيف نستخدم الطاقة الحرارية الجوفية؟
توجد الطاقة الحرارية الجوفية في القشرة الأرضية. لها مزايا عديدة منها توافرها المستمر على عكس الأنواع الأخرى من الطاقة المتجددة.
فهي أنظف إلى حد كبير من الغاز الطبيعي ولا تحتاج إلى وقود أحفوري للمساعدة في إنتاجها. كما أنها رخيصة نسبيًا. يتم الحصول على الطاقة الجوفية عن طريق الحفر وصولاً إلى الخزانات الجوفية حيث قد يتدفق الماء شديد السخونة.
بعدها يتم تسخير هذا الماء الساخن لتشغيل التوربينات لإنتاج الكهرباء. ومع ذلك، هناك بعض العيوب، بما في ذلك إطلاق المعادن الثقيلة السامة وغاز كبريتيد الهيدروجين والتسبب في الزلازل.
كيف نستخدم طاقة المحيط الحرارية؟
تعتبر الطاقة الحرارية للمحيطات خيارًا قابلاً للتطبيق لتوليد إمدادات مستمرة من الكهرباء غير الملوثة دون أي عواقب سلبية على المحيط.
وهي تعتمد على الطاقة التي يمكن حصادها بسبب اختلاف درجات الحرارة بشكل ملحوظ بين سطح المحيط، الذي تدفئه الشمس باستمرار، وأعماقها، والتي عادة ما تكون شديدة البرودة.
نظرًا لأن المحيطات تغطي ما يقرب من ثلثي سطح الأرض، فإن مصدر الطاقة هذا له العديد من الاحتمالات المغرية. ومع ذلك، مثل جميع مصادرها، فإن لها عيوبها. إنها تقنية مكلفة ويمكن أن تعطل أيضًا الحياة المائية.
ما أنواع الطاقة الحرارية الأخرى التي نستخدمها؟
بطاريات خلايا الوقود هي شكل آخر من أشكال الطاقة الحرارية التي تولد الاهتمام. تتوقف البطاريات العادية عن العمل في النهاية. يمكن أن تدوم بطاريات خلايا الوقود حتى 80000 ساعة في أنظمة الطاقة الموزعة الكبيرة، طالما أنها تحتوي على مصدر وقود، وهو الهيدروجين عادةً.
لديهم تطبيقات واسعة من النطاق الصناعي وصولاً إلى المستوى الشخصي الفردي. مثل جميع البطاريات، تحتوي بطاريات خلايا الوقود على قطب كهربائي وكاثود. لكن بطاريات وقود الهيدروجين تعتمد على إلكترونات جزيئات الهيدروجين لتوليد تدفق للكهرباء.
ومع ذلك، تظل تكاليف التصنيع، ونقص البنية التحتية، وارتفاع أسعار بطاريات الهيدروجين صناعة وليدة. بالإضافة إلى ذلك، الهيدروجين قابل للاشتعال ويمكن أن يشكل خطرًا على السلامة.
المصادر:
[1] What is thermal energy? – KhanAcademy.org
[2] Thermodynamics – Byjus.com
[3] Energy Transfers and Transformations – NationalGeographic.org