في المقالات السابقة رأينا ما هو الطاقة الحركية و الطاقة الميكانيكية. ذكرنا في هذه المقالات الطاقة الحرارية كجزء من الطاقة التي تؤثر في الجسم المعني وتمتلكه. طاقة حرارية إنها الطاقة التي تمتلكها جميع الجزيئات التي يتكون منها الجسم. عندما تتأرجح درجة الحرارة، يزداد نشاط الجزيئات. وتزداد هذه الطاقة الداخلية كلما ارتفعت درجة الحرارة، وتنخفض كلما انخفضت.
سنقوم الآن بتحليل هذا النوع من الطاقة بعمق لإكمال معرفتنا حول أنواع الطاقات المختلفة الموجودة. هل تريد معرفة المزيد عنها؟ استمر في القراءة.
خصائص الطاقة الحرارية
الطاقة الحرارية هي الطاقة التي تنتقل بين الأنظمة التي تكون عند درجات حرارة مختلفة. ويتجلى ذلك في صورة الحرارة التي نشعر بها، على سبيل المثال، عندما نلمس سطحًا أكثر دفئًا من سطح آخر. ينتقل نقل الطاقة هذا دائمًا من الجسم الأكثر سخونة إلى الجسم الأكثر برودة. وفي هذه العملية يتم توزيع الطاقة الحرارية حتى يصل كلا الجسمين إلى التوازن الحراري، أي عندما يكون كلاهما على نفس درجة الحرارة.
من الخصائص المهمة للطاقة الحرارية أنها تعتمد على عدد جزيئات المادة والسرعة التي تتحرك بها. كلما تحركت الجزيئات بشكل أسرع، زادت الطاقة الحرارية.
وترتبط هذه الطاقة أيضًا بالتغيرات في حالة المادة. على سبيل المثال، من خلال زيادة الطاقة الحرارية لجسم صلب، يمكن أن يصل إلى نقطة يصبح فيها سائلاً، وإذا استمر في اكتساب الطاقة، يصبح السائل غازاً.
أمثلة على الطاقة الحرارية
بعض الأمثلة للحصول على الطاقة الحرارية هي ما يلي:
- الطبيعة والشمس. الشمس هي أكبر مصدر للطاقة الحرارية التي نعرفها. الأجسام التي تتعرض لأشعة الشمس مثل الحجر أو الماء تمتص هذه الطاقة وترتفع درجة حرارتها.
- هيرفير أغوا. عندما نسلط الحرارة على الماء، تبدأ جزيئاته في التحرك بشكل أسرع، حتى تصل إلى درجة الغليان. في تلك اللحظة، تتغير حالة الماء، ويتحول من السائل إلى الغاز.
- مداخن. تحرق المواقد الحطب وأنواع الوقود الأخرى لتوليد الحرارة، مما يزيد من الطاقة الحرارية للبيئة.
- تفاعلات طاردة للحرارة. مثل حرق الوقود أو حرق البنزين في محرك السيارة، تطلق هذه التفاعلات الحرارة.
- احتكاك. عندما يحتك سطحان ببعضهما البعض، فإن الاحتكاك يولد طاقة حرارية. على سبيل المثال، عندما تصبح أيدينا دافئة عن طريق فركها ببعضها البعض.
كيف يتم إنتاج الطاقة الحرارية؟
يتم توليد الطاقة الحرارية من خلال حركة الجزيئات داخل الأجسام. وهذه الجسيمات، التي تسمى الذرات أو الجزيئات، هي في حركة مستمرة، وكلما زادت سرعتها، زادت كمية الطاقة الحرارية التي تمتلكها.
أحد المفاهيم المهمة في إنتاج الطاقة الحرارية هو أن هذا فهو لا يُخلق ولا يُهدم، إنه يتحول فقط. يمكننا توليد الطاقة الحرارية من خلال عمليات مختلفة، مثل احتراق الوقود الأحفوري، والطاقة النووية، والتفاعلات الكيميائية أو ببساطة عن طريق الاتصال بين الأجسام ذات درجات الحرارة المختلفة.
كيف يتم استخدام الطاقة الحرارية؟
اليوم، للطاقة الحرارية العديد من الاستخدامات المهمة. يمكننا تحويلها إلى أشكال أخرى من الطاقة، مثل الطاقة الكهربائية، أو استخدامها مباشرة لتوليد الحرارة. وفيما يلي بعض الأمثلة على كيفية استخدامه:
- في التدفئة. يتم إنتاجه باستخدام الغلايات أو المولدات التي تحرق بعض الوقود لتسخين المياه، والتي تنقل الحرارة إلى مناطق مختلفة من المنزل أو المبنى.
- في محركات الاحتراق الداخلي. وهذا هو الحال في محركات السيارات، حيث يؤدي احتراق الوقود إلى توليد طاقة حرارية تتحول إلى طاقة ميكانيكية لتحريك السيارة.
- في محطات الطاقة. في محطات الطاقة الحرارية، تُستخدم الطاقة الحرارية الناتجة عن حرق الوقود لتسخين المياه، ويحرك البخار الناتج التوربينات التي تولد الكهرباء.
قياس الطاقة الحرارية
تقاس الطاقة الحرارية بـ جول (ي) وفقًا للنظام الدولي للوحدات، على الرغم من أنه يمكن أيضًا التعبير عنها بالسعرات الحرارية. السعرات الحرارية هي كمية الطاقة اللازمة لرفع درجة حرارة 1 جرام من الماء بمقدار درجة واحدة مئوية. لذلك، السعرات الحرارية الواحدة تساوي 4,184 جول.
بالإضافة إلى الجول أو السعرات الحرارية، في بعض السياقات يتم استخدام وحدات أخرى أيضًا مثل الوحدة الحرارية البريطانية (BTU)وهو ما يعادل حوالي 1.055 جول ويستخدم في أنظمة التدفئة أو التبريد.
أمثلة على الطاقة الحرارية في الحياة اليومية
الطاقة الحرارية موجودة في العديد من الظواهر والأجهزة الشائعة. فيما يلي بعض الأمثلة:
- في البشر والحيوانات ذوات الدم الحار. نحن نحافظ على ثبات درجة حرارة الجسم، مما يعني إنفاقًا مستمرًا للطاقة الحرارية التي ننتجها عند هضم الطعام.
- على المعادن المعرضة للشمس. في يوم حار، يسخن معدن السيارة أو أي سطح معدني آخر، مما يؤدي إلى امتصاص الطاقة الحرارية من الشمس.
- في الأجهزة المنزلية. تستخدم الأفران والمشعات والسخانات الطاقة الحرارية لتشغيلها.
- في احتراق الخشب أو الفحم. عندما نشعل نار المخيم أو الشواء، فإن الطاقة الحرارية المنتجة تعمل على تسخين البيئة وطهي الطعام.
الخلط المتكرر مع مصطلحات مثل الحرارة ودرجة الحرارة
من الشائع الخلط بين الطاقة الحرارية والطاقة الحرارية أو الحرارة. على الرغم من أن هذه المصطلحات مرتبطة ببعضها البعض، إلا أنها لا تعني نفس الشيء تمامًا:
- طاقة حرارية هي الطاقة الإجمالية الموجودة في النظام بسبب حركة جزيئاته.
- حرارة هو نقل الطاقة الحرارية من جسم ذو درجة حرارة أعلى إلى جسم ذو درجة حرارة أقل.
- درجة الحرارة وهو مقياس لمتوسط الطاقة الحرارية لجزيئات الجسم.
من المهم أن نلاحظ أنه على الرغم من أن الحرارة والطاقة الحرارية مرتبطان، إلا أن الحرارة ليست خاصية جوهرية للجسم، بل هي عملية نقل، في حين أن الطاقة الحرارية هي خاصية للمادة.
الطاقات الأخرى المرتبطة بالطاقة الحرارية
ترتبط الطاقة الحرارية بأشكال الطاقة الأخرى مما يسمح بتحويلها إلى تطبيقات مختلفة. ونعرض هنا تفاصيل بعض تلك العلاقات:
الطاقة الشمسية الحرارية
الطاقة الحرارية الشمسية هي نوع من الطاقة المتجددة التي تحول طاقة الشمس إلى حرارة. يستخدم هذا النوع من الطاقة بشكل شائع تسخين الماء في المنازل أو لتوليد الكهرباء من خلال محطات الطاقة الشمسية الحرارية.
الطاقة الحرارية الأرضية
يأتي هذا النوع من الطاقة من الحرارة المخزنة داخل الأرض. تستفيد الطاقة الحرارية الأرضية من هذه الحرارة الطبيعية لإنتاج الكهرباء أو التدفئة بطريقة أنظف وأكثر استدامة.
الطاقة الكهربائية
يمكن تحويل الطاقة الحرارية إلى طاقة كهربائية في محطات الطاقة الحرارية، حيث تستخدم الحرارة لتوليد البخار وتشغيل التوربينات التي تولد الكهرباء، وهي عملية شائعة في محطات الوقود الأحفوري أو الطاقة النووية.
تعتبر دراسة الطاقة الحرارية ضرورية لفهم كيفية توليد الطاقة واستخدامها في حياتنا اليومية. من حرارة الشمس إلى الطاقة التي نستخدمها في الطهي، فإن للطاقة الحرارية تأثير كبير على بيئتنا وطريقة عيشنا.