بحث عن الطاقة الحرارية

توجد من حولنا العديد من أشكال الطاقة المختلفة التي نتعامل معها في حياتنا اليومية، فالطاقة الحراريّة هي أحد أشكال هذه الطاقة المعهودة والتي عرفها الإنسان منذ القدم، فتعامل الإنسان مع الطاقة الحرارية في بداية الأمر من النار، وعرفها من الشمس، كما استغلّ الطاقة الحرارية في العديد من الأمور كالطبخ وتشكيل المعادن.

تطوّر استعمال الطاقة الحرارية حتى أصبحت جميع التطبيقات في حياتنا الحالية تعتمد على الطاقة الحرارية وحتى توليد الكهرباء والذي يتم بالأساس عن طريق حرق المشتقات النفطية.

يتم في العادة تخزين الطاقة الحرارية في الأجسام المختلفة ونقلها بين الأجسام المختلفة بعدّة طرق، وتكون الطاقة الحرارية في الأجسام على شكل اهتزازاتٍ في جزيئات المادة، أي إنّها تُخزّن في الأجسام على صورة طاقةٍ حركيةٍ في هذه الجزيئات، فكلما زادت حرارة الجسم زادت عشوائية وحركة هذه الجزيئات بشكلٍ أكبر والعكس صحيح، فعند تسخين الجليد على سبيل المثال فإنّه يتحوّل إلى سائلٍ وهو الماء وعند تسخينه بشكل أكبر فإنّه يتحول إلى البخار والذي يعتبر الشكل الغازي.

إنّ جزيئات الغازات تمتلك طاقةً حركية وتتحرك بعشوائية أكثر من السوائل والمواد الصلبة التي تكون فيها الحركة أقلّ ما يمكن، وكلّما انخفضت حرارة الأجسام (أي قلت الطاقة الحرارية فيها) انخفضت معها حركة جزيئات المادة حتّى تصل في النهاية إلى الصفر المطلق، وهو الذي تكون عنده جزيئات المادة بحالة السكون الكامل، أي إنّها لا تمتلك طاقةً نهائياً.

إنّ انتقال الطاقة الحرارية هي موضوع دراسةٍ عميقٌ جداً ومتشعبٌ بشكلٍ كبير؛ فانتقال الطاقة الحرارية مهمٌ جداً في التطبيقات الهندسية التي تعتمد عليه، فيحتل هذا العلم جزءاً كبيراً من هندسة الميكانيك و علم الفيزياء التي تقوم بدراسته، فنحتاج في بعض التطبيقات على سبيل المثال إلى زيادة انتقال الحرارة بأكبر شكلٍ ممكن، كما في المبردات أو في وحدات التدفئة الموجودة في المنازل او حتّى في التخلص من الحرارة في الأجهزة الكهربائية كالحواسيب، بينما نحتاج في تطبيقات أخرى إلى الحفاظ على الطاقة الحرارية في داخل الأجسام، كما في وحدات تسخين المياه في المنازل، أو في داخل المنازل في فصل الشتاء.

تنتقل الطاقة الحرارية بثلاث طرق هي: التوصيل، والحمل، والإشعاع، فأمّا التوصيل فهو انتقال الطاقة الحرارية عبر الأجسام الصلبة على وجه التحديد بحيث تنتقل الطاقة الحرارية خلالها من نقطةٍ إلى أخرى، وتختلف المواد في قابليتها لتوصيل الحرارة أيضاً كما تختلف في قدرتها على توصيل الكهرباء، فتوجد بعض المواد التي تُعتبر موصلاتٍ جيدةً للحرارة، بينما توجد بعض المواد التي تُعتبر عازلةً للحرارة وتستخدم في التطبيقات التي نحتاج فيها للحفاظ على الحرارة.

وأمّا الحمل فهي الطريقة التي تنتقل فيها الحرارة خلال الموائع (السوائل والغازات)؛ وهي الطريقة التي يسخن فيها الهواء الموجود في الغلاف الجوي، فعندما يسخن سطح الأرض على سبيل المثال بفعل أشعة الشمس فإنّ الهواء الموجود فوقه يسخن بالحمل، فيرتفع هذا الهواء إلى الأعلى نتيجة نقصان كثافته مع زيادة حرارته، ويحلّ مكانه هواءٌ جديدٌ أبرد ليسخن وهكذا.

تُعتبر هذه الطريقة لتوصيل الحرارة هي المسؤولة عن العديد من الظواهر كتيارات الحمل الموجودة في المحيطات وحركة الهواء على سطح الأرض، وآخر الطرق لانتقال الحرارة هي الإشعاع وهي الطريقة التي تصلنا من خلالها حرارة الشمس، وهذه الطريقة لا تحتاج إلى وسطٍ ناقلٍ لإيصال الحرارة، فجميع الأجسام التي تمتلك طاقةً حراريةً تشعّ جزءاً منها إلى الخارج.