الطاقة الحرارية هي مفهوم أساسي في فهم كيف تلعب الحرارة ودرجة الحرارة دورًا في الظواهر الفيزيائية المختلفة. يستكشف هذا الدرس أساسيات الطاقة الحرارية، وكيفية ارتباطها بالحرارة والطاقة والفيزياء، ويقدم أمثلة توضيحية وتجارب دون الحاجة إلى أي ممارسة من القارئ.
الطاقة الحرارية هي الطاقة الداخلية الموجودة في النظام بسبب الحركات العشوائية لجزيئاته. إنها شكل من أشكال الطاقة الحركية لأنها تنشأ من حركة الجزيئات - الذرات أو الجزيئات أو الأيونات. وكلما تحركت هذه الجزيئات بشكل أسرع، ارتفعت درجة حرارة المادة، وبالتالي ارتفاع طاقتها الحرارية.
من المهم التمييز بين الطاقة الحرارية ودرجة الحرارة، على الرغم من أنهما مرتبطان ارتباطًا وثيقًا. درجة الحرارة هي مقياس لمتوسط الطاقة الحركية للجزيئات في المادة، في حين تشير الطاقة الحرارية إلى إجمالي الطاقة الحركية لجميع الجزيئات في النظام. ولذلك، فإن الطاقة الحرارية لا تعتمد فقط على درجة الحرارة، بل أيضًا على كتلة النظام ونوع الجزيئات التي يحتوي عليها.
الحرارة هي الطاقة في العبور. هو تدفق الطاقة الحرارية بين الأجسام ذات درجات الحرارة المختلفة. عندما يتلامس جسمان عند درجة حرارة مختلفة، تنتقل الطاقة الحرارية من الجسم الأكثر دفئًا إلى الجسم الأكثر برودة حتى يتم الوصول إلى التوازن الحراري، مما يعني أن كلا الجسمين لهما نفس درجة الحرارة. توضح هذه الظاهرة القانون الثاني للديناميكا الحرارية، الذي ينص على أن الطاقة تميل إلى التدفق تلقائيًا من درجة حرارة أعلى إلى درجة حرارة أقل.
يمكن أن يتم نقل الحرارة بثلاث طرق: التوصيل، والحمل الحراري، والإشعاع.
يعد فهم الطاقة الحرارية وقياسها ونقلها أمرًا بالغ الأهمية في مختلف السياقات اليومية والعلمية. فيما يلي تجربتان لإثبات هذه المبادئ:
تعد السعة الحرارية للمادة مفهومًا مهمًا في الفيزياء الحرارية. هي كمية الحرارة اللازمة لتغيير درجة حرارة وحدة كتلة المادة بمقدار درجة مئوية واحدة. يتم الحصول على السعة الحرارية النوعية ( \(c\) ) من خلال المعادلة: \(Q = mc\Delta T\) حيث \(Q\) هي الحرارة المضافة، \(m\) هي كتلة المادة، \(c\) هي السعة الحرارية النوعية، و \(\Delta T\) هو التغير في درجة الحرارة.
لاستكشاف هذا المفهوم، يمكن للمرء قياس السعة الحرارية للمياه عن طريق تسخين كتلة معروفة من الماء وتسجيل التغير في درجة الحرارة. من خلال تطبيق الطاقة الحرارية من خلال سخان كهربائي وقياس الطاقة الموردة باستخدام عداد كهربائي، يمكن حساب السعة الحرارية النوعية للمياه، والمعروفة بحوالي \(4.18 \, \textrm{ي/جم درجة مئوية}\) .
تتضمن تجربة بسيطة لتصور الحمل الحراري تسخين الماء في وعاء شفاف به جزيئات صغيرة مرئية معلقة فيه (مثل المادة اللامعة أو البذور). عندما يتم تسخين الماء الموجود في قاع الوعاء، فإنه يتمدد، ويصبح أقل كثافة، ويرتفع، بينما يغوص الماء البارد والأكثر كثافة. وهذا يخلق تيارات الحمل الحراري التي يمكن ملاحظتها كحركة الجزيئات.
للطاقة الحرارية وطرق نقلها تطبيقات واسعة في حياتنا اليومية والعمليات الصناعية. على سبيل المثال:
إن فهم الطاقة الحرارية أمر بالغ الأهمية في الفيزياء والحياة اليومية. وهو يشمل مفاهيم الحرارة ودرجة الحرارة ونقل الطاقة، ودمج العناصر الأساسية للعلوم الفيزيائية. ومن خلال التحقيق في حركة الجسيمات وتفاعلها، ومن خلال التجارب البسيطة، يصبح هذا المفهوم الأساسي متاحًا، مما يدل على تطبيقه العالمي وأهميته في مختلف الظواهر والتقنيات.
