في مجال الفيزياء، يتم دراسة درجات الحرارة والطاقة الحرارية، حيث تعمل الطاقة على تحريك السيارات وتمكين طائرات الطيران، كما تستخدم لتدفئة المنازل وإنارتها. ويحتاج أجسامنا إلى الطاقة للنمو والحركة. في هذا اليوم، سنتعرف على نوع هام من أنواع الطاقة وهو الطاقة الحرارية.
مقدمة بحث عن درجة الحرارة والطاقة الحرارية في مجال الفيزياء
الطاقة الحرارية موجودة في كل مكان حولنا، وهي الطاقة التي يحملها جسم مادي بسبب تحرك ذراته أو جزيئاته بشكل عشوائي وغير منتظم، والإشعاع الحراري هو تحويل الطاقة الحرارية إلى طاقة إشعاعية من خلال إطلاق الأشعة.
شاهد أيضًا: بحث عن الاتزان الكيميائي والديناميكي في الفيزياء
ما هي الطاقة الحرارية؟
الطاقة الحرارية هي في الواقع نوع من الطاقة الحركية التي تمتلكها كائنات مختلفة، والحرارة في جسم ما هي في الواقع تتمثل في حركة جزيئاته بشكل أسرع.
عندما تقوم بتسخين مقلاة لطهي البيض في الصباح، فإنك تعجل جزيئات المقلاة لتصبح ساخنة بما يكفي لطهي البيض، ويمكن أن نقول نفس الشيء عن أي شيء آخر يصبح ساخنا أيضا، حيث تعمل العديد من السخانات عن طريق تسخين الهواء، مما يجعل جزيئاته يتحركون بسرعة أكبر.
تعريف درجات الحرارة
تعد درجة الحرارة مجرد تفاعل لحركة الجسم، ونتيجة لذلك يحدث زيادة أو انخفاض في درجات حرارة الجسم، ويمكن قياس درجة الحرارة باستخدام وحدات مئوية أو فهرنهايت أو كلفن، وتستخدم العديد من البلدان العربية والأجنبية هذه الوحدات لقياس درجات الحرارة.
مكتشف الطاقة الحرارية
تقاس الطاقة الحرارية بوحدة تسمى جول، وتسمى بهذا الاسم تيمنا بمكتشفها جيمس بريسكوت جول، الفيزيائي الذي اكتشف أن الحرارة هي في الواقع نوع من الطاقة. درس بريسكوت العلاقة بين درجة الحرارة والطاقة، واكتشف أن تحريك الماء ميكانيكيا يؤدي إلى ارتفاع درجة حرارته.
الفرق بين الحرارة والطاقة الحرارية
على الرغم من أن الطاقة الحرارية هي السرعة التي تنتقل بها جزيئات الجسم، إلا أن الحرارة في الواقع تنقل هذه الطاقة من مكان إلى آخر، عندما تشعل الموقد الخاص بك تحت مقلاة تحتوي على زيت، ينتقل الحرارة من الموقد إلى المقلاة ومن المقلاة إلى الزيت الذي بداخله، وينتقل أيضا بعض الحرارة إلى الهواء المحيط بالموقد، ولهذا السبب يبدو أن درجة حرارة المطابخ ترتفع بشكل كبير أثناء الطهي.
كيف تعمل الطاقة الحرارية؟
- عند فهمك لمفهوم الطاقة الحرارية والحرارة، ستتسهل فهم أنظمة التدفئة المتقدمة وأيضا قدرة المهندسين على تحديد أفضل المواد المستخدمة في الأفران والقنوات وغيرها من مكونات التدفئة الهامة.
- عندما تتكون المادة من جزيئات أو ذرات، فإن هذه الجزيئات تتحرك بشكل مستمر، حيث تهتز بشكل مستمر. وعندما يزيد ارتفاع درجة حرارة المادة، تزداد سرعة اهتزاز الجزيئات، والطاقة الحرارية هي ما نسميه الطاقة التي تنشأ من درجة حرارة المادة. وكلما زادت حرارة المادة، زاد اهتزاز جزيئاتها، وبالتالي زادت طاقتها الحرارية.
- على سبيل المثال، الكوب المملوء بالشاي الساخن يحتوي على طاقة حرارية تتجسد في حركة اهتزازية لجزيئاته، وعندما تضيف بعض الحليب إلى الشاي الساخن الخاص بك، يتم نقل بعض هذه الطاقة من الشاي الساخن إلى جزيئات الحليب البارد.
- ولكن ما يحدث بعد ذلك؟ يصبح كوب الشاي أكثر برودة بسبب فقدانه للطاقة الحرارية للحليب، ويتم قياس كمية الطاقة الحرارية في جسم ما باستخدام الجوال.
شاهد أيضًا: بحث عن الاحتكاك والحركة في الفيزياء كامل
كيفية تخزين الطاقة الحرارية
- يمكن تخزين الطاقة الحرارية واستعادتها بفاعلية عن طريق مبادئ الحرارة الكامنة، حيث يمكن تخزين وإطلاق الطاقة الحرارية بطريقة أخرى باستخدام مبادئ التفاعل الكيميائي.
- تساعد التفاعلات الكيميائية العكسية التي تحدث بين المواد المتفاعلة أو المكونات التفاعلية في تخزين وإطلاق الطاقة الحرارية المطلوبة.
- من خلال توفير الحرارة للمواد الكيميائية النهائية، يمكننا كسر الروابط بين الجزيئات وفصلها إلى مكونات فردية قابلة للتفاعل، وهذا يمكنها في النهاية من تخزين الحرارة.
- ومن جهة أخرى، يمكن استعادة الطاقة الحرارية المخزنة بفعالية واستخدامها في تلبية الطلب على التدفئة / التبريد عن طريق إعادة تجميع المكونات التفاعلية الفردية نفسها.
- تم تطوير معظم نظم تخزين الطاقة الحرارية الكيميائية للاستخدام في تدفئة المباني بدلا من تبريدها. يمكن أن يكون السبب في ذلك هو توفر طاقة حرارية عالية الجودة من الإشعاع الشمسي في تطبيقات التدفئة، والتي تعد مصدرا للطاقة المتجددة ويمكن استغلالها بسهولة من خلال أنظمة الطاقة الشمسية لمزيد من الاستفادة.
- بالمثل، يمكن أن يكون الجمع بين نظام تخزين الطاقة الحرارية الكيميائية ونظام TES الموسمي طويل المدى طريقة مفيدة أيضا للحد من انبعاثات الكربون وغازات الاحتباس الحراري والمساهمة في الحفاظ على الاستدامة البيئية.
استخدامات الطاقة الحرارية
- تشمل الاستخدامات الإنتاجية للطاقة الحرارية على سبيل المثال لا الحصر: التدفئة والتبريد والطهي والتجفيف وتسخين المياه والخبز والتصنيع هي أمور تحتاج إلى كميات كبيرة من الوقود، ولكن هناك تقنيات جديدة وفعالة تقلل بشكل كبير من كمية الكتلة الحيوية المطلوبة كوقود، وهناك أيضا تقنيات للطاقة الحرارية تستخدم الطاقة الشمسية، والتي تعتبر أكثر نظافة واستدامة.
- تستخدم صناعات الفولاذ والحديد الطاقة الحرارية في تصنيع الصلب من خام الحديد من خلال صهر الفحم الكوك أو الحجر الجيري.
- تحتاج مصانع الورق إلى كمية كبيرة من الحرارة لتجفيف منتجاتها ، حيث تستخدم الحرارة في شكلي الهواء الساخن والبخار ، ويتم إنتاجها باستخدام الكهرباء ، وتحتوي العديد من مصانع الورق على نظام توليد مشترك لاستعادة الحرارة.
- تستخدم مصانع صناعة الورق المقوى الطاقة الحرارية لتجفيف المنتجات وضغط الألواح. وتحتوي العديد من مصانع صناعة الورق على نظام التوليد المشترك لاسترداد الحرارة، وتعمل مصائد البخار على احتجاز الطاقة الحرارية وإعادة تدويرها لتحقيق الكفاءة.
- تستخدم الصناعات الغاز الطبيعي والكهرباء والنفط والفحم لإنتاج الطاقة الحرارية التي تستخدم في العمليات الصناعية.
الطاقة الشمسية الحرارية
- الطاقة الحرارية الشمسية هي واحدة من أكثر أنواع الطاقة المستدامة والمتجددة نظافة على الأرض، حيث يتم جمع الطاقة الحرارية من خلال طرقين، التسخين الشمسي السلبي، والتسخين الشمسي النشط، ويتم جمع الطاقة وتخزينها كما يحدث في التسخين الشمسي السلبي، أو يتم جمعها ميكانيكيا وتوزيعها.
- تستخدم الطاقة الحرارية الشمسية لزيادة الطاقة الداخلية لعنصر ما عن طريق الإشعاع الشمسي، ثم يتم نقلها عبر السائل إلى المكان المطلوب، كما تستخدم مجمعات الطاقة الشمسية أيضا لجمع وتخزين الطاقة الحرارية الشمسية، ويتم استخدامها بعد ذلك لتسخين المياه المنزلية.
- تقوم الألواح الشمسية بجمع الطاقة الشمسية وتستخدم لتجميع الطاقة الحرارية من الشمس وتحويلها إلى تيار مستمر يمكن استخدامه كطاقة كهربائية.
- يمكن أيضا جمع الطاقة الحرارية الشمسية في محطات الطاقة الحرارية واستخدامها لتسخين الماء وإنتاج البخار، والذي يتم توجيهه بعد ذلك إلى مصدر واحد لتشغيل التوربينات التي تولد الكهرباء.
- تستخدم الطاقة الحرارية الشمسية أيضا لتسخين حمامات السباحة الداخلية والخارجية، خاصة خلال فصل الشتاء.
الاستفادة من الطاقة الحرارية الجوفية
- تنتج هذه الطاقة الحرارية ماء ساخنا أو بخارا يمكن استخدامه لأغراض صناعية وتجارية متعددة، حيث يستغل الطاقة الحرارية الجوفية لتشغيل التوربينات التي تولد الكهرباء وتحول الطاقة الحرارية إلى طاقة كهربائية.
- تتم توجيه المياه التي يتم تسخينها مباشرة باستخدام الطاقة الحرارية البركانية لاستخدامها في تدفئة المباني وحمامات السباحة الحرارية، ويمكن استخدامها مباشرة أيضا في تدفئة المنتجعات الصحية وغيرها من المرافق العلاجية، ويمكن أيضا استخدامها في أحواض تربية الكائنات المائية.
- يمكن توجيه الطاقة الحرارية التي تنتجها الأرض واستخدامها محليا للطبخ، ويمكن أيضا استخدامها تجاريا لتجفيف الفواكه والخضروات والأخشاب.
- تم استخدام الطاقة الحرارية المنبعثة من الطاقة الحرارية الأرضية لذوبان الثلوج بشكل واسع على الطرق والمرافق الأخرى.
- وتعمل المضخات الحرارية الجوفية بالطاقة الحرارية لتدفئة المنازل والمحركات، وتستخدم الحرارة الجوفية أيضا في بسترة الحليب.
شاهد أيضًا: بحث وصف الحركة الدورانية فيزياء ثاني ثانوي
اختتام دراسة حول درجات الحرارة والطاقة الحرارية في الفيزياء
في نهاية رحلتنا في البحث عن درجة الحرارة والطاقة الحرارية في الفيزياء، نود أن نشير إلى أن الطاقة الحرارية تعتبر واحدة من أهم أنواع الطاقة المنخفضة التكلفة والتي يجب الاستفادة منها بشكل جيد في مختلف مجالات الحياة، وتعد الطاقة الشمسية أحد أهم مصادر الطاقة الحرارية.
