الطاقة الحرارية

تُعدّ الطاقة الحراريّة أحد أقدم وأهمّ أشكال الطاقة، وتنتقل عن طريق التوصيل، أو الإشعاع، أو الحمل، بحيث تنتقل الحرارة من الجسم الأعلى حرارةً إلى الجسم الأقل حرارةً مُسبّبةً ارتفاع درجة حرارته، ويمكن تحويل الطاقة الحراريّة إلى أشكال أخرى من الطاقة؛ مثل: الطاقة الكهربائيّة، أو الإشعاعيّة، أو الميكانيكيّة، أما وحدة قياسها فهي السعر الحراري أو الجول.

أهمية الطاقة الحرارية

تلعب الطاقة الحرارية دوراً مهمّاً في حياتنا منذ القدم، فقد كان السبب الرئيسي للتطور الحضاريّ للإنسان الأول استغلاله للطاقة الحراريّة من خلال إيقاده للنار قديماً، وصولاً إلى استخداماتها الحالية التي لا يمكن الاستغناء عنها، مثل: طهي الطعام، وتوليد الكهرباء في المحطات الحرارية، كما تُستخدم في إدارة المُحرّكات؛ مثل: الآلة البخارية، والصواريخ.

قانون الطاقة الحرارية

إن رفع درجة حرارة الجسم تعني تزويده بالطاقة الحراريّة، وخفض درجة حرارته تعني سحب مقدارٍ من الطاقة الحراريّة، ويعتمد تحديد مقدار الحرارة التي يفتقدها أو يكتسبها الجسم على:

كتلة المادة.
الحرارة النوعية.
مقدار التغيُّر في درجة الحرارة.

كما يُمكن تحديد كمية الحرارة التي يكتسبها أو يفقدها الجسم باستخدام قانون حفظ الطاقة الذي ينص على أنّ: كميّة الحرارة المفقودة=كميّة الحرارة المُكتسبة.

وبالتالي فإنّ مقدار الطاقة الحراريّة يُساوي كتلة المادة مضروبة في الحرارة النوعيّة، وفي التغير في درجة الحرارة النهائيّة والابتدائية للمادة.

الطاقة الحرارية=كتلة المادة×الحرارة النوعية×التغير في درجة الحرارة.

ملاحظات مهمّة على القانون

عندما تكتسب المادة حرارة، تزداد الطاقة الحركيّة والاهتزازية لجزيئاتها، مما يؤدي إلى رفع درجة حرارتها، وعند انخفاض درجة حرارة الجسم تنخفض الطاقة الحركيّة أو الاهتزازيّة للجزيئات.
الطاقة الحراريّة هي طاقةٌ حركيّة، بحيث تكون حركةً عشوائيّةً في جُزيئات المادة السائلة والغازيّة، وحركة اهتزازيّة في المادة الصلبة.
أثناء عملية تحول المادة، تبقى درجة حرارتها ثابتة.
في حال كانت الطاقة الحركية لجزيئات المادة تساوي صفراً، تكون درجة حرارته عند الصفر المطلق.
مقياس درجة الحرارة بالكلفن، وبما أنّها المرجع لمقاييس درجة الحرارة المختلفة مثل الدرجة المئوية، فدرجة الصفر المطلق هي -16 و273 بدرجة الحرارة المئوية.
الاتزان الحراري: هو عملية استمرار انتقال الحرارة في المخلوط حتى تتساوى درجة الحرارة في جميع أجزائه.

مثال:

كتلة كوبٍ من النحاس تساوي 0.1 كغم، ودرجة حرارته تساوي 20 درجة مئوية، مليءٌ بماءٍ ساخنٍ كتلته تساوي 0.2 كغم، ودرجة حرارته تساوي 80 درجة مئوية، ما درجة حرارتهما بعد حصول الاتزان الحراريّ؟

الحل:

كمية الحرارة المكتسبة=كمية الحرارة المفقودة
كتلة النحاس×الحرارة النوعية للنحاس×مقدار التغير في درجة الحرارة=كتلة الماء×الحرارة النوعية للماء×مقدار التغير في درجة الحرارة
0.1×390×(درجة الحرارة عند الاتزان الحراري)-20)=0.2×4186×(80-درجة الحرارة عند الاتزان الحراري)
د₂ تُمثّل درجة الحرارة النهائية لكل من النحاس والماء، أيّ درجة الحرارة بعد الوصول إلى الاتزان الحراري.
39×( درجة الحرارة بعد الاتزان الحراري-20)=837.2 (80-درجة الحرارة بعد الاتزان الحراري)
(39×د₂)-780=66976-(837.2×د₂)
66976 780 =( 39×د₂) (837.2×د₂)
67.756=876.2×د₂
درجة الحرارة بعد الاتزان الحراري=67756÷876.2=77.329 درجة مئوية.