ما هي الطاقة الحرارية؟
تعرف الطاقة الحرارية بأنها أحد أشكال الطاقة المعروفة من قبل البشر. في الحقيقة يمكن القول إن الطاقة الحرارية هي أول أنواع الطاقة التي اكتشفها الإنسان وهذا ما تؤكده الدراسات التاريخية التي تصنف اكتشاف النار من قبل الإنسان بأنه واحد من أعظم اكتشافات البشرية وأنه يشكل منحنى في تاريخها وتقدمها.
من المدهش التفكير باكتشاف الإنسان البدائي للنار والطريق الطويلة من الاختراعات والاكتشافات والابتكارات التي قطعته البشرية فيما يتعلق بالطاقة الحرارية واستخداماتها مثل التدفئة وطهي الطعام وما فتحه من احتمالات مثل تخزين وحفظ الأطعمة وصولا إلى اختراع المحطات الحرارية القادرة على توليد الطاقة الكهربائية وغيرها الكثير من الاختراعات المهمة لرخاء وتطور الإنسان.
كيف ترتفع درجة الحرارة؟
يمكن تلخيص ارتفاع درجة الحرارة لمادة ما بأنه ارتفاع في طاقة جزيئاتها الحركية وهو ما يتمثل على أرض الواقع كطاقة حرارية. وبالعكس يمكن القول إن طاقة الجزيئات الحركية تنخفض عندما تنخفض درجة حرارة الجسم. إذن فالطاقة الحرارية في الجوهر ما هي إلا طاقة حركية على مستوى الجزيئات وتتمثل هذه الطاقة في الأجسام الغازية والسائلة بحركة عشوائية للجزيئات أو كحركة اهتزازية في المادة الصلبة لشبكتها البلورية.
كيف تنتقل الطّاقة الحرارية؟
"الطاقة لا تخلق ولا تفنى من العدم" إلا أن الطاقة يمكن نقلها وتحويلها من شكل إلى آخر. بسبب أهمية انتقال الطاقة الحرارية بين المواد والأجسام فقد جرى وضع قواعد خاصة لعلم الطاقة الحرارية الذي يسمى "ترموديناميكا". بالإضافة إلى دراسة وتطبيقات انتقال الطاقة الحرارية فإن هذا العلم يدرس أيضا تحويل الطاقة الحرارية إلى أنواع أخرى من الطاقة مثل الطاقة الحركية والطاقة الكهربائية وغيرها.
يعتبر هذا العلم مفيدا جدا في مجالات الصناعة وتوليد الطاقة والنقل وغير ذلك من استخدامات هامة وهو بنفس أهمية علم حركة الهواء أو الرياح وحركة المياه ويعتبر موازيا لهما من حيث الأهمية في حياة البشر. في الحقيقة فإن هذا العلم قادر أيضا على تفسير الكثير من الظواهر التي نعيشها بشكل يومي سواء في المنزل أثناء الطبخ أو قرب النار أثناء التخييم في الغابة.
يشير علم حركة الطاقة الحرارية "ترموديناميكا" إلى أن الحرارة تنتقل بثلاث طرق رئيسية هي كالتالي:
التوصيل
التوصيل يعني أن الحرارة تنتقل من جزء من المادة الصلبة إلى باقي الأجزاء حتى تتوحد حرارة الجسم كاملا. إن توصيل الطاقة الحرارية هو المسؤول عن سخونة كل أطراف أبريق الشاي مع أنه يتعرض للنار فقط من الجزء السفلي.
لنتخيل معا مجموعة من الجزيئات المتناهية الصغر التي لا تتوقف عن الحركة وتشكل جسما ما. في الأجسام الصلبة تهتز هذه الجزيئات في مكانها عوضا عن الحركة الحرة الواردة في السوائل والغازات. والآن لنتخيل أيضا أن هذه الجزيئات الصغيرة تشكل مقلاة معدنية موضوعة على الموقد. تنتقل الحرارة من النار أسفل المقلاة إلى المقلاة بحد ذاتها، يسخن السطح السفلي للمقلاة أولا ثم تسخن باقي الأجزاء ويد المقلاة. ما السبب في ذلك؟
قبل أن نضع المقلاة على الموقد، كانت جزيئاتها الصغيرة تتحرك بسرعة متوسطة وموحدة لأن المقلاة كلها لها نفس درجة الحرارة. أما بالنسبة للموقد فإن جزيئاته تتحرك بسرعة أكبر بكثير لأن حرارته عالية جدا ولذلك فهو يتمتع بطاقة حرارية أكبر بكثير.
عندما يتم وضع المقلاة على الموقد، تتصادم جزيئات الموقد مع جزيئات المقلاة في الجزء السفلي منها وكنتيجة لذلك تأخذ الجزيئات في أسفل المقلاة بالحركة بشكل أسرع من باقي جزيئاتها. مع كل اصطدام تنتقل الحرارة من الجزيئات المتحركة إلى الجزيئات التي تتحرك ببطء. وبذلك تنتشر الحرارة عبر المقلاة إلى أن تصل إلى يدها.
الإشعاع
ليس عليك وضع يدك على سطح المقلاة الساخنة لتعرف أن درجة حرارتها مرتفعة. كل ما عليك فعله هو وضع يدك فوق المقلاة ببضع سنتيمترات لتشعر بالحرارة. كيف يمكنك الشعور بالحرارة دون لمس المقلاة الساخنة؟ الجواب ببساطة أن الأجسام الساخنة تشع بالحرارة.
الإشعاع هو عبارة عن طاقة تنتقل عبر الموجات الكهرومغناطيسية ولست بحاجة للمسها للشعور بها. أشعة الشمس من أكبر الأمثلة على الأشعة الكهرومغناطيسية وكذلك ضوء المصباح الكهربائي وحرارة أجسامنا أيضا. في الحقيقة فإن أجهزة الميكرويف بحد ذاتها تستخدم الأشعة الكهرومغناطيسية لتسخين الطعام.
تماما كالضوء فإن الأشعة الكهرومغناطيسية تستطيع الانتقال عبر الهواء وحتى عبر الفراغ والدليل هو أشعة الشمس التي تعبر الفضاء الخارجي وتقطع الغلاف الجوي لتصل إلينا. كمثال آخر عن انتقال الحرارة بالإشعاع، هل أشعلت يوما ما نارا على رمل الشاطئ أو في الغابة؟ ليس عليك لمس النار أو الاقتراب منها كثيرا لتشعر بحرارتها أو ما نطلق عليه بالعامية "وهج النار".
أما إذا حصل ووقف شخص ما بينك وبين النار أو جرى وضع جسم غير ناقل للحرارة فإنك ستتوقف عن الشعور بحرارة النار لأن الإشعاع لا يستطيع اختراق الأجسام الصلبة وهو يختلف من هذه الناحية عن انتقال الحرارة بالتوصيل. عندما ينطلق الإشعاع الحراري من مصدر ما فإن موجاته تنتشر بكافة الاتجاهات.
الحمل
لنعد الآن إلى مقلاتنا في المثال الأول، غالبا ما نرى في الكثير من المطابخ "شفاطات" هواء فوق الموقد. وظيفة هذه الأجهزة هي إخراج الروائح والدخان والأبخرة الأخرى إلى خارج المطبخ. ولكن لماذا توضع هذه الأجهزة فوق الموقد وليس بجانبه أو تحته أو بمحاذاته؟ وبنفس الطريقة لماذا تبنى المداخن فوق مدفأة الحطب وتمتد إلى السقف وليس إلى الأرض أو الحائط المجاور؟ السبب هو أن الحرارة تصعد إلى الأعلى.
كلما تضاعفت سرعة الجزيئات أثناء الحركة الناتجة عن ارتفاع الحرارة فإنها أيضا تتباعد عن بعضها البعض. عندما تتضاعف حركة الجزيئات وتتباعد عن بعضها البعض فإنها تصبح أخف من المحيط ذو الحرارة الأقل ومن جزيئاته. كنتيجة لذلك تصعد الجزيئات الساخنة إلى الأعلى وأثناء صعودها تخسر طاقتها وتبرد وتعود للنزول بينما تصبح الجزيئات السفلية ساخنة وتصعد للأعلى مكانها وهكذا. إن هذه الحركة تخلق دائرة متصاعدة ونازلة وتدعى هذه الدورة بالحمل. يمكن ملاحظة الحمل هذا بوضوح في الماء المغلي.
التعليقات