تعرض المادة، المادة التي تتكون منها جميع الأشياء المادية، مجموعة من الخصائص الحرارية التي تعتبر ضرورية لفهم العالم من حولنا. وتخضع هذه الخصائص، مثل درجة الحرارة والحرارة والتمدد الحراري، لمبادئ نقل الطاقة وقوانين الفيزياء.
درجة الحرارة هي مقياس لمتوسط الطاقة الحركية للجزيئات في مادة ما، ويتم قياسها غالبًا بالدرجات المئوية (°C)، أو الفهرنهايت (°F)، أو بالكلفن (K). الحرارة، من ناحية أخرى، هي شكل من أشكال نقل الطاقة بين جسمين أو نظامين بسبب اختلاف درجة الحرارة. وحدة الحرارة في النظام الدولي للوحدات (SI) هي الجول (J). العلاقة بين الحرارة ( \(Q\) ) والكتلة ( \(m\) ) والسعة الحرارية النوعية ( \(c\) ) والتغير في درجة الحرارة ( \(\Delta T\) ) توصف بالمعادلة: \(Q = mc\Delta T\) السعة الحرارية النوعية هي مقياس لكمية الطاقة الحرارية اللازمة لتغيير درجة حرارة كيلوغرام واحد من المادة بمقدار درجة مئوية واحدة.
عندما يتم تسخين المواد، فإنها عادة ما تتوسع. تُعرف هذه الظاهرة بالتمدد الحراري ويمكن ملاحظتها في المواد الصلبة والسوائل والغازات. يحدث التمدد الحراري لأن زيادة درجة الحرارة تؤدي إلى زيادة الطاقة الحركية للجزيئات، مما يؤدي إلى تباعدها. يمكن وصف مدى التمدد الحراري من خلال معامل التمدد الخطي ( \(\alpha\) ) للمواد الصلبة، والذي يوضح التغير في الطول ( \(\Delta L\) ) لكل وحدة طول ( \(L\) ) لكل درجة تغير في درجة الحرارة ( \(\Delta T\) ): \(\Delta L = \alpha L \Delta T\) بالنسبة للسوائل والغازات، يعد تمدد الحجم أكثر أهمية من التمدد الخطي، ويتم وصفه بواسطة المعامل من التوسع الحجمي.
تغيرات الطور هي تحولات بين المراحل الصلبة والسائلة والغازية للمادة وتتضمن امتصاص أو إطلاق الطاقة دون تغيير درجة الحرارة. تشمل الأنواع الرئيسية لتغيرات الطور الذوبان والتجميد والتبخر والتكثيف والتسامي والترسيب. تُعرف الحرارة المرتبطة بتغير الطور بالحرارة الكامنة. على سبيل المثال، تسمى الطاقة اللازمة لتحويل 1 كجم من الجليد إلى ماء دون تغيير درجة الحرارة بالحرارة الكامنة للانصهار ( \(L f\) )، في حين تسمى الطاقة اللازمة لتحويل 1 كجم من الماء إلى بخار دون تغير في درجة الحرارة الحرارة الكامنة للتبخر ( \(Lv\) ): \(Q = mL_f\) للانصهار أو التجميد، \(Q = mL_v\) للتبخير أو التكثيف.
يمكن نقل الطاقة الحرارية عبر المادة عن طريق التوصيل والحمل الحراري والإشعاع. التوصيل هو نقل الحرارة بين المواد التي تكون على اتصال مباشر مع بعضها البعض. الموصلية الحرارية ( \(k\) ) للمادة هي مقياس لقدرتها على توصيل الحرارة. يوضح قانون فورييه للتوصيل الحراري العلاقة بين معدل انتقال الحرارة ( \(Q/t\) )، والتوصيل الحراري ( \(k\) )، والمساحة ( \(A\) )، وتدرج درجة الحرارة ( \(\Delta T/L\) ) وسمك المادة ( \(L\) ): \(Q/t = kA(\Delta T/L)\) الحمل الحراري هو انتقال الحرارة عن طريق حركة السوائل (السوائل أو الغازات) ) بسبب اختلاف درجات الحرارة. أنها تنطوي على الحركة السائبة للسائل. الإشعاع هو نقل الطاقة عبر الموجات الكهرومغناطيسية ولا يحتاج إلى وسط للانتشار. تبعث جميع الأجسام إشعاعًا حراريًا، وتزداد كمية الإشعاع المنبعثة مع القوة الرابعة لدرجة حرارة الجسم، كما يصفها قانون ستيفان-بولتزمان: \(P = \sigma AT^4\) حيث \(P\) هي الطاقة المنبعثة، \(\sigma\) هو ثابت ستيفان-بولتزمان، \(A\) هي مساحة السطح، و \(T\) هي درجة الحرارة بالكلفن.
يتمتع الماء ببعض الخصائص الفريدة المتعلقة بقدرته الحرارية المحددة وسلوكه بالقرب من 4 درجات مئوية. إن القدرة الحرارية النوعية للمياه مرتفعة بشكل ملحوظ، مما يعني أنها تتطلب الكثير من الطاقة الحرارية لزيادة درجة حرارتها، مما يساهم في دورها كمخزن حراري في النظم البيئية. بالإضافة إلى ذلك، يصل الماء إلى أقصى كثافة له عند 4 درجات مئوية؛ عندما يبرد تحت درجة الحرارة هذه، فإنه يتوسع. يعد هذا التوسع الشاذ أمرًا بالغ الأهمية لبقاء الحياة المائية في المناخات الباردة، حيث يتشكل الجليد على سطح المسطحات المائية، مما يؤدي إلى عزل المياه الموجودة أسفلها.
للخصائص الحرارية للمادة تطبيقات واسعة النطاق في الحياة اليومية والصناعة. على سبيل المثال، يؤخذ التمدد الحراري بعين الاعتبار في تصميم الجسور والسكك الحديدية للسماح بالتمدد والانكماش مع تغيرات درجات الحرارة. إن السعة الحرارية النوعية العالية للمياه تجعلها مبردًا ممتازًا في العمليات الصناعية ومحطات الطاقة.
في تجربة لتوضيح السعة الحرارية النوعية للماء، يتم استخدام سخان لنقل كمية معروفة من الطاقة إلى كمية مقاسة من الماء. من خلال ملاحظة التغير في درجة الحرارة، يمكن للطلاب حساب السعة الحرارية النوعية للماء باستخدام الصيغة \(Q = mc\Delta T\) .
عرض آخر شائع يتضمن وضع بالون فوق قارورة بها ماء. عندما يسخن الماء ويتحول إلى بخار، ينتفخ البالون بسبب دفع بخار الماء للهواء. وهذا يوضح تمدد الماء عندما يتحول إلى غاز، وهو تأثير مرئي للتمدد الحراري للمادة.
إن فهم الخواص الحرارية للمادة لا يعزز فهمنا للفيزياء الأساسية فحسب، بل يثري أيضًا قدرتنا على هندسة الحلول لمجموعة متنوعة من التحديات العملية.
