طرق انتقال الطاقة الحرارية وأهميتها

تعتبر الطاقة الحرارية واحدة من أبرز أشكال الطاقة المعروفة، والتي تساهم بشكل كبير في العديد من الصناعات والتطورات التكنولوجية التي نشهدها اليوم.

تنتج الطاقة الحرارية غالباً عن عمليات احتراق الوقود الأحفوري، وتُحوَّل بعد ذلك باستخدام تقنيات متنوعة إلى أشكال أخرى من الطاقة، مثل الطاقة الكهربائية.

آلية انتقال الحرارة بشكل مبسط

• تشير عملية انتقال الحرارة في الأساس إلى تدفق الطاقة الحرارية بين الجزيئات المتباينة الحرارة.
  • تتأثر هذه العملية بتفاوت درجات الحرارة بين الجزيئات، ولا تعتمد فقط على كونها طاقة نقية.
• اكتشف العلماء أن انتقال الحرارة يحدث على مستويين: الكتلة والعمل.
  • بينما يمكن أن يصاحبه انتقال العمل أو الكتلة بين الوسطين المتفاعلين.

القانون الثاني للديناميكا الحرارية

• ينص القانون الثاني للديناميكا الحرارية على أن انتقال الحرارة يتم بصورة أحادية باتجاه الأجسام ذات الحرارة العالية نحو الأجسام ذات الحرارة المنخفضة.
  • يتم ذلك وفقاً لفرق درجات الحرارة بين الأجسام المعنية.
• لإمكانية عكس هذا الاتجاه، يُشترط وجود تأثير خارجي يساعد في دفع الحرارة من الجسم البارد إلى الساخن.
  • يمكن ملاحظة ذلك من خلال عمل الثلاجات التي تستخدم الطاقة الكهربائية لجذب الحرارة من داخل الغرفة الباردة وإطلاقها إلى المحيط الأكثر حرارة.

طرق انتقال الحرارة

• تنتقل الحرارة من خلال ثلاث آليات أساسية: التوصيل، النقل، والإشعاع.
• يتطلب كل من التوصيل والنقل وجود وسط مادي، بينما يمكن للإشعاع الانتقال دون الحاجة إلى وسط مادي.

انتقال الحرارة بالتوصيل

• تحدث عملية التوصيل عندما يتلامس جسمان صلبان بدرجات حرارة متفاوتة.
  • يؤدي ذلك إلى انتقال الحرارة من الجسم الأكثر حرارة إلى الجسم الأقل حرارة.
• يتم تعريف التوصيل بأنه انتقال الحرارة الناتج عن تصادم الجزيئات بين مادتين حرارياً.
• خلال هذا التصادم، تنتقل الطاقة الحرارية من المادة الأكثر حرارة إلى الأخرى، مما يزيد من درجة حرارتها.
• تختلف خصائص التوصيل بين المواد؛ فبعض المواد تمتاز بقدرة عالية على التوصيل بينما تكون الأخرى ضعيفة في ذلك.
  • تتصدر الأجسام الصلبة قائمة المواد ذات مستوى توصيل حراري عالٍ، تليها السوائل، بينما تأتي الغازات في الأدنى.
• يمكن الشعور بتدفق الحرارة عند لمس الأجسام الدافئة كمثال واضح لعملية التوصيل.

انتقال الحرارة عن طريق النقل

• تُعتبر نقل الحرارة عبر التسخين من الوسائل الشائعة لانتقال الحرارة في الغازات والسوائل.
  • يتضمن ذلك انتقال الحرارة من الطبقات العليا الساخنة إلى الطبقات السفلى الأكثر برودة.
• في نفس الوقت، فإن الطبقات الباردة تهبط لتملأ الأماكن التي تخلفها الطبقات الساخنة.
  • تشكل هذه العملية دورة مستمرة من الهبوط والصعود بين الطبقات.
• أحد الأمثلة الواضحة على ذلك هو تسخين الماء، حيث تبدأ الفقاعات في التكون عندما يصل الماء إلى درجة حرارة مائة مئوية، وتتحرك هذه الفقاعات صعودًا في الماء بينما يغوص الماء الأكثر برودة إلى الأسفل.

انتقال الحرارة بالإشعاع

• تتطلب آلية النقل والتوصيل وجود وسط مادي، بينما الإشعاع لا يحتاج إلى أي وسط مادي لنقل الحرارة.
  • يمكننا الشعور بحرارة الشمس على الرغم من المسافة الكبيرة التي تفصلنا عنها.
• تتمثل ظاهرة الإشعاع الحراري بما يُعرف بالأشعة تحت الحمراء، وهي نوع من الإشعاع الكهرومغناطيسي.

• تصف هذه الظاهرة طريقة انتقال الطاقة بشكل موجات كهرومغناطيسية بسرعة الضوء.
  • لا يتطلب حدوث الإشعاع تفاعل بين المواد، حيث أن جميع المواد تطلق إشعاعاً ولكن تختلف في كمية الطاقة المنبعثة.

أنواع الحمل الحراري

• يحدث الحمل الطبيعي عندما تنتج حركة الموائع بسبب اختلاف الكثافة والحرارة.
• بينما يشير الحمل القسري إلى حركة الموائع الناتجة عن استخدام أدوات مثل المروحة أو المضخة مع وجود فرق في درجات الحرارة والكثافة.

آليات انتقال الطاقة الحرارية بالتوصيل

تحرر الإلكترونات

• تمتلك الإلكترونات القدرة على اكتساب الطاقة من خلال التفاعل الحراري داخل الذرة، مما يمكّنها من نقل أجزاء صغيرة من الطاقة لذرات أخرى مجاورة، مما يُظهر آثار الفلزات في عملية التوصيل الحراري.

التصادم

• يؤدي اكتساب الذرات للحرارة إلى زيادة اهتزازاتها، مما يسبب تصادمًا بين الذرات، وهو ما قد يظهر حتى في المواد غير الموصلة.

انتشار الفوتونات

• عندما تكتسب الذرات للطاقة، يؤدي ذلك إلى اهتزازها وإنتاج طاقة تُعرف بالفوتونات، التي تُعتبر ضعيفة مقارنة بالطاقة التي تحملها الإلكترونات.

خصائص التيارات الحرارية

• تتضمن بعض جزيئات الموائع حركة للأعلى والأسفل، محملة بالطاقة المكتسبة.
• تمتاز هذه الحركة بالتنسيق والتنظيم ما يسمح بزيادة الطاقة المنقولة.
• يجب التأكيد على وجود علاقة طردية بين الطاقة الحرارية والانتقال الحراري بين الأجسام.
  • لا يجوز اعتبار الطاقة الحرارية مقياسًا حقيقيًا لدرجات حرارة الأجسام.
• من الضروري التفريق بين الطاقة الحرارية للجسم ودرجة حرارته، بالإضافة إلى وحدات قياس الطاقة الحرارية.