محتويات
عندما يتلامس جسمان بدرجات حرارة متفاوتة
تنشأ عملية انتقال الحرارة مباشرة من الجسم الذي يمتلك درجة حرارة مرتفعة نحو الجسم الذي تكون حرارته أقل. تُعد هذه العملية واحدة من العمليات الفيزيائية الأساسية لنقل الطاقة بين الأجسام، حيث يمكن للطاقة الحرارية أن تنتقل عبر وسائط متعددة، سواء كانت مواد صلبة أو سوائل أو غازات. كما يمكن للحرارة أن تنتقل عبر الفضاء باستخدام إشعاعات مثل الأشعة تحت الحمراء أو الميكروويف.
ما هي الطاقة الحرارية؟
تشكل الطاقة الحرارية نوعًا من أنواع الطاقة الحركية، حيث تسهم هذه الطاقة في تمكين الجسم من أداء عمل معين استنادًا إلى الطاقة الحركية الناتجة عن حركة جزيئاته. تنشأ هذه الطاقة نتيجة للحركة السريعة لجزيئات المادة، مما يؤدي إلى تصادمها وزيادة درجة الحرارة. كلما ازدادت سرعة حركة الجسيمات، زادت درجة الحرارة التي يمكن قياسها سواء بالدرجات المئوية أو الفهرنهايت. تُستخدم الطاقة الحرارية بشكل واسع في مجالات متعددة نظرًا لسهولة تحويلها من شكل إلى آخر.
قانون الطاقة الحرارية
يعتبر قانون الطاقة الحرارية أحد أجزاء الطاقة الداخلية في نظام ديناميكي حراري متوازن داخل الأجسام، حيث تتناسب هذه الطاقة طرديًا مع درجة حرارة الجسم المطلقة. هذا التأثير يتضح عندما نقوم بنقل الطاقة على هيئة حرارة أو عمل من خلال عمليات الديناميكا الحرارية. يمكن حساب كمية انتقال الحرارة رياضيًا باستخدام المعادلة التالية: Q = m * cp (Tf – Ti).
في هذه المعادلة، ترمز q إلى انتقال الحرارة، وm إلى الكتلة، بينما cp تشير إلى السعة الحرارية، وTf تمثل درجة الحرارة النهائية، وTi تشير إلى درجة الحرارة الابتدائية. ويُقاس مقدار الطاقة الحرارية باستخدام النظام الدولي لوحدات القياس، مثل الجول، وأحيانًا يُستخدم وحدة قياس الحرارة البريطانية (BTU).
تخزين الطاقة الحرارية
تسعى تقنية تخزين الطاقة الحرارية إلى حفظ ونقل الطاقة الحرارية أو الطاقة الناتجة من الماء أو الهواء البارد أو حتى الجليد. يهدف هذا النظام إلى دمج تقنيات التخزين مع أساليب إنتاج الطاقة المتجددة، مثل الطاقة الشمسية أو الطاقة المائية. يتم إنتاج حرارة الطاقة وتخزينها للاستخدام اللاحق، مثل فترات الذروة في الاستهلاك. يُسحب الماء الساخن أو المبرد إلى الخزان، حيث يتم فصل الماء إلى طبقات مع وضع الماء البارد في الأسفل والماء الساخن في الأعلى. تُستخدم الطاقة الحرارية المخزنة عند الحاجة في المنشآت التي تتطلب الطاقة، وهو مشابه لفكرة تجميد الماء للحصول على الثلج داخل المبرد، ثم استخدامه.
طرق انتقال الطاقة الحرارية
لقد تناولنا سابقًا بعض التفاصيل حول انتقال الطاقة الحرارية بين الأجسام، ولكن ما هي السبل المستخدمة في هذا الانتقال؟
- طريقة الإشعاع: تعتمد هذه الطريقة على الاستفادة من الموجات الكهرومغناطيسية، ولا تحتاج إلى وسط مادي لنقل الحرارة. يمكن رؤية تأثيرها في العديد من الأجهزة الكهربائية مثل المصابيح والمكاوي.
- طريقة الحمل الحراري: تعتمد على وجود وسط غازي أو سائل يقوم بنقل الحرارة. في هذه الطريقة، يتم نقل الغاز أو السائل مع الحرارة عبر الوسط المحيط، مثل تبريد كوب من الشاي الساخن عندما يُترك في الهواء.
- طريقة التوصيل الحراري: تقوم هذه الطريقة على نقل الطاقة الحرارية من خلال الاتصال المباشر بين الأجسام. تحدث هذه العملية بين المواد الصلبة والغازات وحتى السوائل، حيث يتم نقل الحرارة من وسطٍ إلى آخر مماثل له في الحالة الفيزيائية، سواء كان سائلًا أو صلبًا أو غازيًا.