تعتبر الطاقة الحرارية واحدة من أوجه الطاقة المعروفة والمشهورة بين الناس، حيث تُعزى إليها العديد من الإنجازات التي نشهدها في العديد من الصناعات والآلات الحديثة في عصرنا الحالي.
تنتج الطاقة الحرارية بشكل رئيسي من حرق الوقود الأحفوري، ويتم تحويلها من خلال عدة طرق إلى أشكال أخرى من الطاقة، مثل الطاقة الكهربائية.
آلية انتقال الحرارة ببساطة
- تصف عملية انتقال الحرارة بشكل عام كيفية تدفق الطاقة الحرارية بين الجزيئات المنفصلة، ويعود ذلك إلى التفاوت في درجات الحرارة بينها؛ حيث لا تتعلق هذه العملية فقط بالطاقة ككائن مستقل.
- أظهرت الأبحاث أن انتقال الحرارة يمكن أن يحدث على مستويين مختلفين: الكتلة والعمل، كما قد يصاحبه انتقال للعمل أو للكتلة من أحد الوسطين إلى الآخر.
القانون الثاني للديناميكا الحرارية
- ينص القانون الثاني للديناميكا الحرارية على أن انتقال الحرارة يتم في اتجاه واحد حسب الحالة الطبيعية، من الأجسام ذات الحرارة الأعلى إلى الأجسام ذات الحرارة الأقل.
- لإمكانية عكس هذا القانون، يجب أن يتواجد تأثير خارجي يتطلب طاقة أو عملاً يؤديان إلى نقل الحرارة من الجسم الأكثر برودة إلى الجسم الأكثر حرارة.
- الثلاجة تعتبر مثالاً واضحاً على هذا النقل العكسي، حيث تمتص الطاقة الكهربائية الحرارة من داخل غرفة التبريد ذات الحرارة المنخفضة وتفرغها إلى الوسط المحيط الأكثر حرارة.
طرق انتقال الحرارة
- تنتقل الحرارة من خلال ثلاث طرق رئيسية: النقل، والتوصيل، والإشعاع. حيث يتطلب كل من النقل والتوصيل وجود وسط مادي، على عكس الإشعاع الذي لا يحتاج إلى وسط لنقل الحرارة.
آلية انتقال الحرارة بالتوصيل
- تحدث عملية التوصيل من خلال تلامس جسمين صلبين يحملان درجات حرارة مختلفة، حيث تنتقل الحرارة من الجسم الأكثر برودة إلى الجسم الأكثر حرارة حتى يتساوى في درجات الحرارة.
- يمكن تعريف التوصيل بأنه انتقال الحرارة عبر تصادم جزيئات مادتين مختلفتين حرارياً.
- نتيجة للاصطدام، تقدم المادة الأكثر حرارة جزءً من طاقتها الحرارية إلى الجزيئات الأخرى، مما يؤدي إلى رفع درجة حرارتها. كما أن خاصية التوصيل تختلف من مادة لأخرى.
- تُظهر المواد الصلبة مستوى توصيل حراري عالي، يليها السوائل، ثم الغازات التي تعتبر الأقل في مستوى التوصيل الحراري، حيث ترتبط هذه الخصائص بكثافة الجزيئات فيها.
- يُعتبر الإحساس بانتقال الحرارة عند تلامس الأجسام الدافئة مثالاً على انتقال الحرارة عبر التوصيل.
آلية انتقال الحرارة بالنقل
- تُعتبر طريقة النقل الطريقة الأكثر شيوعاً في انتقال الحرارة في الغازات والسوائل، حيث تنتقل الحرارة من الطبقات الأكثر حرارة إلى الطبقات الأقل.
- تقوم الطبقات الباردة بالهبوط لملء الفراغ الناتج عن ارتفاع الطبقات الساخنة، مما يؤدي إلى إنشاء حركة دائمة من صعود وهبوط للطبقات.
- عملية تسخين الماء تُعتبر مثالاً عملياً على انتقال الحرارة بالنقل، حيث يبدأ ظهور الفقاعات عند بلوغ درجة حرارة الماء مئة درجة مئوية.
- تُلاحظ هذه الفقاعات وهي تنتقل للأعلى بينما ينخفض الماء السطحي إلى الأسفل في الوقت ذاته.
آلية انتقال الحرارة بالإشعاع
- تعتبر طرق النقل والتوصيل معتمدة على وجود وسط مادي ليحدث من خلاله انتقال الحرارة، بخلاف الإشعاع الذي يمكنه الانتقال في الفراغ دون الحاجة لأي وسط.
- على سبيل المثال، نشعر بحرارة الشمس على الرغم من المسافة الكبيرة التي تفصلنا عنها، حيث يمكن للحرارة الانتقال عبر الفضاء من خلال الإشعاع الحراري.
- الإشعاع الحراري، المعروف أيضاً بالأشعة تحت الحمراء، هو شكل من أشكال الإشعاع الكهرومغناطيسي، ويصف عملية انتقال الطاقة كأمواج كهرومغناطيسية تتحرك بسرعة الضوء دون الحاجة لوسط مادي.
- تنبعث جميع المواد أو الأجسام بالإشعاع، لكن تختلف معدلات الطاقة والإشعاعات المنبثقة من كل مادة، والتي تتناسب طردياً مع بعضهما.
الحمل الطبيعي والقسري
- الحمل الطبيعي يحدث عندما تنتج حركة السوائل بفعل اختلاف في الكثافة ودرجة الحرارة.
- في المقابل، إذا تم استخدام مروحة أو مضخة لتحريك السوائل مع وجود فروق في الكثافة ودرجة الحرارة، يعد ذلك حملاً قسرياً.
آليات انتقال الطاقة الحرارية بالتوصيل
تحرر الإلكترونات
- تكتسب الإلكترونات الطاقة من الحرارة التي تحررها أثناء وجودها داخل الذرة، ثم تبدأ في نقل جزء صغير من الطاقة إلى ذرات قريبة لها، مما يظهر فعالية الفلزات في التوصيل الحراري.
تصادم الذرات
- عند اكتساب الذرات للحرارة، تؤدي هذه الزيادة إلى زيادة التذبذبات بينها، مما يسبب تصادمات بينها، وهو ما يظهر بوضوح في المواد غير الموصلة.
انتشار الفوتونات
- انطباق الطاقة على الذرات يؤدي إلى اهتزازها، مما ينتج عنه طاقة تُسمى الفوتونات، والتي تُعتبر منخفضة مقارنة بالطاقة المنقولة بواسطة الإلكترونات في المادة.
خصائص آليات تيارات الحمل
- تشهد بعض جزيئات الموائع حركة صعود وهبوط بشكل مستمر، محملة بالطاقة المكتسبة.
- تتميز هذه الجزيئات بوجود حركات منظمة ومنسقة، وهو ما يسمح لها بحمل طاقة عالية.
- تتجه حركات السوائل إما لأعلى أو في اتجاهات عشوائية معينة.
- من الضروري التمييز بين الطاقة الحرارية والانتقال الحراري بين الأجسام، فضلاً عن عدم اعتبارها مقياساً رسمياً لدرجات حرارة الأجسام.
- من المهم التفريق بين الطاقة الحرارية للجسم ودرجة حرارته ووحدات قياس الطاقة الحرارية.
