الطاقة الحرارية
الطاقة الحرارية (بالإنجليزية: Thermal energy) هي الطاقة الداخلية الموجودة في نظام في حالة توازن ديناميكي حراري، ففي أي نظام فيزيائي مادي، تتواجد طاقة حرارية كامنة فيه، والتي ينتج عن تدفقها الحرارة (بالإنجليزية: heat) التي يمكن ملاحظتها والتي يمكن أيضاً أن تنتقل من مادة إلى أخرى، أو من نظام معين إلى آخر، حيث ترتكز فيزياء الديناميكا الحرارية على دراسة هذه الظاهرة والعوامل المؤثرة بها وكيفية انتقال الطاقة الحرارية من جسم إلى آخر.[١]
قانون الطاقة الحرارية
تتأثر الطاقة الحرارية في أي نظام فيزيائي بكتلة الجسم، بالإضافة إلى تأثرها بالحرارة النوعية للمادة وبدرجة الحرارة، كما وتتواجد علاقة طردية بين التغير في كل من تلك المتغيرات والطاقة الحرارية، وفيما يلي كيفية حساب الطاقة الحرارية:[٢]
Q = mc Δ T
حيث يمكن تمثيل المعادلة بالكلمات كالآتي:
الطاقة الحرارية = الكتلة * الحرارة النوعية * التغير في درجة الحرارة.
وبناءً على المعادلة السابقة، يمكن حساب الطاقة الحرارية لجسم تبلغ كتلته 6 كيلوجرامات، ويمتلك حرارة نوعية تبلغ 0.03 جول لكل كيلوجرام لكل درجة مئوية في نظام تغيرت فيه درجة الحرارة 20 درجة مئوية كما يلي:
الطاقة الحرارية = 6 * 0.03 * 20 =3.6 جول.
أشكال انتقال الطاقة الحرارية
تتكون جميع الجسيمات من الذرات، التي تتواجد في حالة دائمة من الحركة الاهتزازية، يعود ذلك لامتلاكها طاقة حرارية كامنة فيها، بالإضافة إلى ذلك، فإن المجموع الكلي لجميع طاقاتها الحركية في جميع الاتجاهات يساوي صفر، وأي زيادة في درجة الحرارة يرفع الطاقة الحركية للجزيئات حتى تؤدي إلى تغيير حالة المادة الفيزيائية، ومن الجدير بالذكر، أنه تتواجد ثلاثة أشكال لانتقال الطاقة الحرارية في المادة، وهي التوصيل والحمل الحراري والإشعاع،[٣] وفيما يلي توضيح لكل منها:
التوصيل الحراري
كما ذكر سابقاً، فإن الطاقة الحرارية تنتقل على شكل الحرارة، ويحدث التوصيل الحراري (بالإنجليزية: conduction) عن طريق حركة الذرات واهتزازها، حيث أن حركة الجزيئات تتسبب بحدوث تصادمات فيما بينها؛ مما ينقل الحرارة من الجزيئات التي تملك طاقة حرارية أعلى إلى الجزيئات ذات الطاقة الحرارية الأقل، ومن الجدير بالذكر، أن نسبة التصادمات تكون أقل ما يمكن عندما تكون المادة في الحالة الصلبة، وتعتمد هذه الطريقة على الحركة الاهتزازية للجزيئات في المادة الصلبة.[٣]
في حالة التوازن الحراري، تمتلك الجزيئات والذرات طاقات حركية تسمح لها بالتحرك في جميع الاتجاهات، إلا أن تأثيرها الصافي هو صفر، ولكن عندما يتم نقل الحرارة إليها، فإن الجزيئات تهتز في أماكنها، وتنقل الطاقة الإضافية إلى الجسيمات المجاورة، وبهذه الطريقة تنتقل الحرارة من مكان إلى آخر خلال المادة، وتجدر الإشارة إلى أن هذا النوع من تدفق الطاقة الحرارية يحدث بشكل عام في المرحلة الصلبة من المادة.[٣]
الحمل الحراري
يحدث الحمل الحراري (بالإنجليزية: convection) عندما يحدث نقل الحرارة في الحالة السائلة للمادة، فتنتقل الحرارة في السوائل عند تسخينها وزيادة طاقتها الحرارية، حيث أن الجزيئات التي تسخن أولاً تبدأ في الارتفاع إلى أعلى السائل؛ مما يدفع الجزيئات الأبرد إلى القاع إلى مصدر الحرارة لتسخن بدورها، هذه الطريقة تقوم بإنتاج تيار داخل السائل بحيث تمتزج جميع الجزيئات باختلاف طاقاتها الحركية، وتستمر بالحركة الدورانية تلك حتى تصل كل جزيئات السائل إلى نفس درجة الحرارة.[٤]
الإشعاع
يتم نقل الطاقة الحرارية بطريقة الإشعاع (بالإنجليزية: radiation) في الحالة الغازية للمادة، حيث تكون حركة الجزيئات عشوائية وفي جميع الاتجاهات، ومن الجدير بالذكر، أنه يحدث نقل الطاقة على شكل موجات بهذه الطريقة، إذ إن هذه الموجات هي موجات كهرومغناطيسية تقوم بنقل الطاقة الحرارية من جزيء إلى آخر، كما أنه لا يتطلب النقل الحراري من خلال الإشعاع أي وسط مادي على عكس طرق التوصيل والحمل الحراري التي يكون وجود الوسط المادي مطلوباً لنقل الحرارة، ولذلك يمكن نقل الحرارة بالإشعاع حتى في الفراغ.[٥]
المراجع
- ↑ "what-is-thermal-energy", khanacademy, Retrieved 21/10/2022. Edited.
- ↑ "/thermal-energy-formula", byjus, Retrieved 30/10/2022. Edited.
- ^ أ ب ت "thermal-energy", toppr, Retrieved 21/10/2022. Edited.
- ↑ "convection", britannica, Retrieved 21/10/2022. Edited.
- ↑ heat, also known as thermal radiation, is,in which it propagates (unlike convection and conduction). "radiation", energyeducation, Retrieved 21/10/2022. Edited.
