الطاقة الحرارية وأنواعها
الطاقة الحرارية من أهم الطاقات الموجودة حولنا، فعلاوةً على شهرتها إلا أن هناك الكثير يروا أننا مدينين لها في كل التقدم والتطورات التي شهدها العصر الحالي والعصور التالية، ، فتأخذ الأرض الطاقة الحرارية عن طريق الشمس، الشمس التي لا يقتصر دورها فقط على الطاقة الضوئية التي تبثها للكوكب ولكن هي أيضاً أساس وجود حياتنا وحياة من قبلنا على الأرض بشكل عام، فمن أهم الأسباب التي ساعدت الشمس على نشأة الحياة لكوكب الأرض هي:
- بعد الشمس عن الأرض بما يقارب 150 مليون كيلومتر وهذا البعد يخبرنا بمتوسط درجة حرارة الأرض حوالي 14 درجة مئوية في خلال تقلبات الفصول طوال السنة فإن قربت الارض أكثر من ذلك لهلكنا جميعا وتبخرت المياه ونفقت الطيور وقامت البراكين وذابت الجبال ولو بعدنا أكثر من ذلك لكانت درجة الحرارة في انخفاض كبير جداً لدرجة تمنعنا من مواصلة حياتنا على الكوكب لأن كل شيء سيتجمد فلا تجد حين ذاك إنسان ولا حيوان وبالطبع ينطبق نفس الحالة على الطيور.
ما هي الطاقة الحرارية
هي طاقة توجد داخل نظام محدد، أثناء حالة من التوازن الديناميكي الحراري ولا يمكن تحويل الطاقة الحرارية إلى شيء عملي دون عناء خاصة عندما تستهلك الطاقة في الأنظمة التي لا يوجد بها اي نوع من أنواع التوازن الحراري الديناميكي فمثلا:
- امتلاكك للسائل المتدفق أو حتى امتلاك المادة الصلبة طاقة في حد ذاتها ويمكن تحويلها في بعض الأجهزة الميكانيكية مثل أداة الطاحونة الهوائية أو توربين المياه ولكن أحياناً لا يمكننا أن نقوم بأي عمل في نفس السائل او حتى نفس المادة الصلبة حين يكون في حالة تبادل ديناميكي حراري لذا فيجب دمجهما معاً كما نفعل في المحرك الحراري.
المحركات الحرارية
إن المحركات العاملة بالتوربينات البخارية والبنزين وتوربينات الغاز والديزل تعد من أقرب الأمثلة للمحركات الحرارية، فجميع تلك المحركات الحرارية تقوم على فكرة دورية يتم عن طريقها استخراج الطاقات الحرارية من مصادر محددة، ونتيجة لذلك نستطيع تحويل جزء من لطاقة إلى صورة عمل نافع، مع استخدام باقي الطاقة في أشياء أخرى.
التوسع الحراري والتوتر
- تتوسع جميع المواد سواء كانت صلبة أو سائلة أو غازية عند تسخينها، وتتقلص عند تبريدها، وبشكلٍ عام تُستخدم هذه الفكرة في كثير من الأعمال، كأن يقوم الإنسان بفتح قنينة زجاجية محكمة الإغلاق بغطاء معدني عن طريق رفع درجة حرارة الغطاء، أي أن يضع الغطاء تحت ماء الصنبور الساخن بهدف توسيع فتحة الغطاء، ثمّ فتحها بسهولة.
فنقوم بإنتاج أغلب أشكال الطاقة التي حولنا اليوم عن طريق الطاقة الحرارية والتي يتمّ إنتاجها بواسطة:
- حرق الوقود الأحفوري، ومن بعد ذلك نقوم بتحويلها بمختلف الطرق إلى أشكال الطاقة الأخرى مثل الطاقات الكهربائية داخل محطات توليد الطاقة الكهربائية اولتي تعمل بدورها معتمدة على الوقود الأحفوري بشكل أساسي،
- أو مثلما يتم في محركات الاحتراق الداخلي التي نستخدمها في وسائل النقل كل يوم ونستخدمها أيضاً في الآلات والمعدات، وفي المصانع إلخ.
طرق انتقال الطاقة الحرارية
إن علم انتقال الطاقة الحرارية في هذه العصور يعتبر من أهم العلوم، حيث أن يتم تدريسه بشكل دقيق جدا ووافي لكل الجوانب والتفاصيل حتى نزيد من كفاءة ما تم نقله من طاقة وبالتالي سيساعد الآلات على زيادة كفائتها هي الأخرى، وكالعادة في كل العلوم فإن لكل علم ركيزة أساسية يستند عليها وركيزة علم انتقال الحرارة يقوم بالاعتماد على أسس محددة أيضاً ومنها:
- طرق انتقال الطاقة الحرارية والتي تنقسم إلى ثلاث أقسام
- التوصيل، هل سبق لك وأن لامست شيئاً ساخنا وشعرت بحرارة تجتاح يديك بالتدريج؟ أو مسست جانب من جوانب مادة حديدية النار معرضة للنار كإبريق على سبيل المثال وشعرت بعدها بالحرارة في طرفه رغم بعده عن النار!
- الطريقة الأولى تفسرها انتقال الطاقة الحرارية بالتوصيل، ويتم فيها انتقال الحرارة من الأجسام الصلبة من المنطقة الكثر حرارة إلى المناطق التي توجد بها الطاقة الحرارية بشكل أقل وتظل هكذا لحين تساوي تلك الطاقة في جميع الاجزاء وبالتالي يقف انتقالها.
الحمل
- نقوم بتفسير انتقال الطاقة الحرارية فيه للأوساط السائلة والغازية، حيث تنتقل الطاقة الحرارية فيه من الجسم ذو الحرارة المرتفعة أو مصدر اللهب أو حتى إن كان جسم الإنسان المتبادل للطاقة الحرارية التي يمتلكها مع الهواء الذي يحيط به.
الإشعاع:
- هي طريقة انتقال الطاقة الحرارية القادمة من الشمس إلى الأرض، وهي المتسببة في شعورنا بالحرارة الزائدة واللهب سواء أكنا قريبين منها أو على مسافات بعيدة، فكل الأجسام التي تملك الطاقة الحرارية تصدر موجات إشعاع مختلفة الترددات طبقاً لدرجة حرارتها، وللعلم، فإن الإنسان أيضاً يصدر عنه هذه الموجات والذي يقوم البعض بإدراجه تحت مسمى الهالة التي تحيط بالإنسان، تستطيع تلك الأشعة الحرارية ام تنتقل مارة في الفراغ حيث أنها لا تحتاج لوسط يقوم بنقلها، وحين اصطدامها بتلك الذرات فينتج عن ذلك نقل للطاقة الحرارية إلى هذه الذرات، وهذا ما يفسر بالضرورة إحساسنا بحرارة الشمس رغم كل تلك آلاف الأميال التي تفصل بيننا
العلاقة بين الطاقة الحرارية وكلفن
الطاقة الحرارية هي اسم يطلق على مجموع الطاقات الحرارية والتي تتحرك فيه الجزيئات بشكل عشوائي، وأثناء حركتهم العشوائية تلك تعتمد الجزيئات ذوي الطاقة الحركية المتوسطة على مقياس درجة الحرارة كلفن، فالطاقة الحرارية تتناسب بشكل طردي مع درجة حرارة كلفن فكلما زادت واحدة زادت الأخرى والعكس صحيح، وذلك يفسره أن متوسط طاقة الحركة مع درجة الحرارة كلفن يوجد بينهما تناسب.
- تأخذ الأرض الطاقة الحرارية عن طريق الشمس، فالشمس لا لا يقتصر دورها فقط على إنارة الكوكب ولكن هي أيضاً أساس وجود حياتنا وحياة من قبلنا على الأرض بشكل عام، فمن أهم الأسباب التي ساعدت الشمس على نشأة الحياة لكوكب الأرض هي: بعد الشمس عن الأرض بما يقارب 150 مليون كيلومتر وهذا البعد يخبرنا بمتوسط درجة حرارة الأرض حوالي 14 درجة مئوية في خلال تقلبات الفصول طوال السنة فإن قربت الارض أكثر من ذلك لهلكنا جميعا وتبخرت المياه ونفقت الطيور وقامت البراكين وذابت الجبال ولو بعدنا أكثر من ذلك لكانت درجة الحرارة في انخفاض كبير جداً لدرجة تمنعنا من مواصلة حياتنا على الكوكب لأن كل شيء سيتجمد فلا تجد حين ذاك إنسان ولا حيوان وبالطبع ينطبق نفس الحالة على الطيور.
- ولإن الإنسان يعتمد هو والحيوان والنبات بشكل أساسي على الطاقة الحرارية التي تنتجها الشمس لنا، فالنبات على سبيل المثال يقوم بتخزين أشعة الشمس في صورة كربوهيدرات وسكر وأخشاب إلخ في عملية حيوية تسمى بعملية التمثيل الضوئي، وحين نقوم نحن بتناول هذه المواد نكتسب سعرات حرارية تحتاجها اجسادنا وضرورية حتى نستطيع تكملة يومنا بالنشاط الحيوي والبدني، وينطبق نفس الحال على الطيور والحيوانات.
- فالطاقة الحرارية مفيدة في المستوى الطبيعي لها مثلا في جسم الإنسان فإن زادت أو قلت عن 37 درجة مئوية يدخل الإنسان في مرحلة من مراحل الخطر ولا تهدد حياته يمكنك الحصول على السعرات الحرارية في الكربوهيدرات والدهون والبروتينات
تحويل الطاقة الحرارية لصورة أخرى
- يمكنك تحويل الطاقة الحرارية إلى العديد من أنواع الطاقة الأخرى حيث يمكنها أن تكون من الطاقة الحرارية إلى الطاقة الميكانيكية كما في السيارة، أو إلى طاقة كهربائية كما في محطة الطاقة الكهربائية أو طاقة إشعاعية مثل ما يحدث في النار وكذلك في النجوم إلخ.
- ولذلك نالت الطاقة الحرارية نصيب كبير في دراسة القدماء صائغين في رحلتهم تلك قوانين تحكم الطاقة الحرارية مذ القرن التاسع عشر واطلقوا عليه الترموديناميكا أو ما يسمى بعلم الحركة الحرارية
- وحدة قياس الطاقة الحرارية هي وحدة سعرة أو وحدة جول.
You must be logged in to post a comment.