دراسة درجة الحرارة والطاقة الحرارية في الفيزياء. الطاقة تحرك السيارات على الطرق وتجعل الطائرات تطير. كما أنه يسخن غرفنا ويضيء منازلنا. يحتاج جسمنا إلى الطاقة لينمو ويتحرك. سنتعرف اليوم على نوع مهم من الطاقة، وهو الطاقة الحرارية.
مقدمة في درجة الحرارة والطاقة الحرارية في الفيزياء
توجد الطاقة الحرارية في كل مكان حولنا وهي الطاقة التي تمتلكها المادة بسبب الحركة العشوائية وغير المنتظمة لذراتها أو جزيئاتها، والإشعاع الحراري هو تحويل الطاقة من الطاقة الحرارية إلى طاقة مشعة عن طريق انبعاث الأشعة.
أنظر أيضا: دراسة التوازن الكيميائي والديناميكي في الفيزياء
ما هي الطاقة الحرارية؟
الطاقة الحرارية هي في الواقع نوع من الطاقة الحركية التي تمتلكها أجسام مختلفة، والحرارة في جسم ما هي ببساطة جزيئات تتحرك بشكل أسرع.
عندما تقوم بتسخين طباخ البيض في الصباح، فإنك تقوم بتسريع جزيئات القلاية لتسخينها بدرجة كافية لطهي البيض بالفعل، ويمكن قول الشيء نفسه عن أي شيء يسخن، حيث تعمل العديد من السخانات عن طريق تسخين الهواء.، مما يجعل جزيئاته تتحرك بشكل أسرع.
تحديد درجة الحرارة
درجة الحرارة ما هي إلا تفاعل بين الجسم وحركته، مما يؤدي إلى ارتفاع درجة حرارة الجسم أو انخفاضها. يمكن قياس درجة الحرارة بالدرجات المئوية والفهرنهايت والكلفن، وهناك العديد من الدول العربية والأجنبية التي تستخدم هذه الأنواع لقياس درجة الحرارة.
طالب الطاقة الحرارية
تقاس الطاقة الحرارية بوحدات تسمى الجول، سميت على اسم المكتشف جيمس بريسكوت جول، الرجل الذي اكتشف أن الحرارة هي في الواقع شكل من أشكال الطاقة، كان فيزيائيًا ودرس العلاقة بين درجة الحرارة والطاقة، ومن خلال تجاربه أدرك، أن مجرد حركة ميكانيكية للماء يمكن أن ترفع درجة حرارته.
الفرق بين الحرارة والطاقة الحرارية
في حين أن الطاقة الحرارية هي السرعة التي تتحرك بها جزيئات الجسم، فإن الحرارة هي في الواقع نقل تلك الطاقة من جسم إلى آخر. عندما تشعل موقدًا في وعاء من الزيت، يتم نقل الطاقة الحرارية من عنصر الموقد إلى من المقلاة ومن القلاية إلى الزيت بالداخل، كما تنتقل بعض الحرارة إلى الهواء المحيط بالموقد، لذلك يبدو أن المطابخ تسخن بشدة أثناء الطهي.
كيف تعمل الطاقة الحرارية؟
- عندما تفهم مفهوم الطاقة الحرارية والحرارة، يكون من الأسهل بكثير فهم كيفية عمل أنظمة التدفئة المتقدمة، وكيف يمكن للمهندسين معرفة أفضل المواد لاستخدامها في الأفران ومجاري الهواء ومكونات التدفئة المهمة الأخرى.
- إذا كانت المادة مكونة من جزيئات أو ذرات، وهذه الجزيئات تتحرك باستمرار (أو تهتز)، لأنه كلما ارتفعت درجة حرارة المادة، تهتز الجزيئات بشكل أسرع، والطاقة الحرارية هي ما نسميه الطاقة التي تأتي من درجة حرارة الجسم. المادة، وكلما ارتفعت حرارة المادة، تهتز جزيئاتها، وبالتالي تزداد طاقتها الحرارية.
- على سبيل المثال، يحتوي كوب من الشاي الساخن على طاقة حرارية على شكل طاقة حركية من جزيئات متذبذبة. عندما تصب بعض الحليب في الشاي الساخن، يتم نقل بعض هذه الطاقة من الشاي الساخن إلى جزيئات الحليب البارد.
- لكن ماذا سيحدث بعد ذلك؟ يصبح فنجان الشاي أكثر برودة لأنه فقد الطاقة الحرارية للحليب، ويتم قياس كمية الطاقة الحرارية في الجسم بواسطة الهاتف المحمول.
أنظر أيضا: دراسة كاملة للاحتكاك والحركة في الفيزياء
كيفية تخزين الطاقة الحرارية
- يمكن تخزين الطاقة الحرارية واستعادتها بكفاءة باستخدام مبادئ الحرارة الكامنة، ويمكن استخدام طريقة أخرى لتخزين وإطلاق الطاقة الحرارية باستخدام مبادئ التفاعل الكيميائي.
- تساعد التفاعلات الكيميائية العكسية التي تحدث بين الكواشف العاملة أو المكونات التفاعلية على تخزين وإطلاق الطاقة الحرارية اللازمة.
- من خلال تطبيق الطاقة الحرارية على البخار الكيميائي النهائي، يمكن كسر الرابطة بين الجزيئات ويمكن فصلها إلى مكونات تفاعلية فردية، مما يسمح في النهاية للمواد بتخزين الطاقة الحرارية.
- من ناحية أخرى، من خلال إعادة دمج المكونات التفاعلية الفردية نفسها، يمكن استعادة الطاقة الحرارية المخزنة بكفاءة واستخدامها لتلبية طلب حمل التدفئة / التبريد.
- تم تصميم معظم أنظمة تخزين الطاقة الحرارية الكيميائية لتدفئة المباني بدلاً من التبريد، وقد يكون السبب هو أنه بالنسبة للتدفئة، يتم الحصول على طاقة حرارية عالية الجودة من الإشعاع الشمسي، وهو مصدر للطاقة المتجددة ويمكن التقاطه بسهولة بواسطة مجمعات الطاقة الشمسية لمزيد من استخدام.
- وبالمثل، فإن الجمع بين نظام تخزين الطاقة الحرارية الكيميائية ونظام TES الموسمي طويل الأجل يمكن أن يكون أيضًا وسيلة مفيدة لتقليل انبعاثات الكربون وغازات الاحتباس الحراري وتعزيز الاستدامة البيئية.
يستخدم الطاقة الحرارية
- تشمل الاستخدامات الإنتاجية للطاقة الحرارية، على سبيل المثال لا الحصر: الطهي والتجفيف والتدفئة والخبز وتسخين المياه والتبريد والتصنيع. هناك تقنيات جديدة وفعالة تقلل بشكل كبير من كمية الكتلة الحيوية اللازمة للوقود، وهناك أيضًا تقنيات الطاقة الحرارية التي تستخدم الطاقة الشمسية الأكثر نظافة واستدامة.
- تستخدم صناعة الحديد والصلب الطاقة الحرارية لإنتاج الفولاذ من خام الحديد عن طريق صهر فحم الكوك أو الحجر الجيري.
- تتطلب مصانع الورق الكثير من الطاقة الحرارية لتجفيف منتجاتها لأنها تستخدم الحرارة في شكل هواء ساخن وبخار ناتج عن الكهرباء، والعديد من مصانع الورق لديها التوليد المشترك للطاقة مع استعادة الحرارة.
- تستخدم مصانع الورق المقوى الطاقة الحرارية لتجفيف منتجاتها وألواح الضغط، والعديد من مصانع الورق لديها التوليد المشترك للطاقة مع استعادة الحرارة، ومصيدة البخار تلتقط الطاقة الحرارية وتعيد تدويرها لزيادة الكفاءة.
- تستخدم الصناعات الغاز الطبيعي والكهرباء والنفط والفحم لإنتاج الطاقة الحرارية المستخدمة في العمليات الصناعية.
الطاقة الشمسية الحرارية
- الطاقة الحرارية الشمسية هي واحدة من أنظف أشكال الطاقة المستدامة والمتجددة على وجه الأرض. يتم جمع الطاقة الحرارية بطريقتين: التسخين الشمسي السلبي والتدفئة الشمسية النشطة. يتم جمع الطاقة وتخزينها إما عن طريق التسخين الشمسي السلبي أو بوسائل التجميع والتوزيع الميكانيكية.
- تُستخدم الطاقة الحرارية الشمسية لزيادة الطاقة الداخلية للعنصر من خلال الإشعاع الشمسي، والذي يتم بعد ذلك نقله عبر السائل إلى الموقع المطلوب، كما تُستخدم مجمعات الطاقة الشمسية لتجميع وتخزين الطاقة الحرارية الشمسية، والتي تُستخدم بعد ذلك لتسخين المياه من أجل استخدام محلي.
- تقوم الألواح الكهروضوئية أيضًا بتجميع الطاقة الشمسية وتستخدم لتجميع الطاقة الحرارية للشمس وتحويلها إلى تيار مباشر يمكن استخدامه كطاقة كهربائية.
- يمكن أيضًا جمع الطاقة الحرارية الشمسية في محطات الطاقة الحرارية واستخدامها لتسخين المياه وإنتاج البخار، والذي يتم إرساله بعد ذلك إلى مصدر واحد لتشغيل التوربينات التي تنتج الكهرباء.
- تستخدم الطاقة الحرارية الشمسية أيضًا لتدفئة حمامات السباحة الخارجية والداخلية، خاصة في فصل الشتاء.
استفد من الطاقة الحرارية الأرضية
- تنتج هذه الطاقة الحرارية ماءً ساخنًا أو بخارًا يمكن استخدامه في العديد من الأغراض الصناعية والتجارية. تُستخدم الطاقة الحرارية الأرضية لتشغيل التوربينات التي تولد الكهرباء وتحويل الطاقة الحرارية إلى كهرباء.
- يتم تسخين المياه مباشرة عن طريق الطاقة الحرارية البركانية لتدفئة المباني والمسابح الحرارية ويمكن استخدامها مباشرة لتدفئة المنتجعات الصحية والمرافق العلاجية الأخرى، ويمكن أيضًا استخدامها في أحواض السمك.
- يمكن توجيه الطاقة الحرارية المتولدة من الطاقة الحرارية الأرضية إلى المطبخ المحلي وكذلك استخدامها تجاريًا لتجفيف الفواكه والخضروات والأخشاب.
- تستخدم الطاقة الحرارية الناتجة عن ذوبان الجليد الحراري على نطاق واسع في الطرق والمرافق الأخرى.
- تستخدم المضخات الحرارية الأرضية أيضًا الطاقة الحرارية لتدفئة المنازل والمحركات، كما تستخدم الحرارة الجوفية لبسترة الحليب.
انظر أيضًا: وصف البحث في الفيزياء الثانوية للحركة الدورانية
اختتام دراسة درجة الحرارة والطاقة الحرارية في الفيزياء
في نهاية رحلتنا مع دراسة درجة الحرارة والطاقة الحرارية في الفيزياء نلاحظ أن الطاقة الحرارية من أهم أنواع الطاقة الرخيصة التي يجب استخدامها بشكل جيد في مختلف مجالات الحياة، وتعد الطاقة الشمسية من أهم أهم مصادر الطاقة الحرارية.