الطاقة الحرارية: التعريف والأنواع والأمثلة

الطاقة الحرارية هي نوعٌ من الطاقة الحركية لأنَّها تنتج عن حركة الجسيمات، والطاقة الحركية هي الطاقة التي يمتلكها الجسم بفعل حركته، فكلما زادت سرعة حركة الذرات أو الجزيئات التي يتكون منها الجسم زادت الطاقة الحرارية للجسم، وغالباً ما يتم الخلط بين مفهوم الطاقة الحرارية والحرارة.

ففي الفيزياء، تُعَدُّ الحرارة بمنزلة نقلٍ للطاقة من الجسم الأكثر سخونة إلى الجسم الأكثر برودة بسبب الاختلافات في درجات الحرارة، ويشير مصطلح "الحرارة" في الفيزياء إلى الطاقة الحرارية العابرة التي تتدفق دائماً من مادةٍ عند درجة حرارةٍ أعلى إلى مادةٍ عند درجة حرارةٍ أقل، وهذا يرفع درجة حرارة الأخيرة ويقلل من درجة حرارة المادة السابقة بشرط أن يظل حجم الأجسام ثابتاً، في حين أنَّ الطاقة الحرارية هي الخاصية الداخلية التي يمتلكها جسمٌ ما قبل نقل الطاقة عند حدوث الحرارة "غالباً ما يكون مجموع الطاقات الحركية للجسيمات المختلفة التي تشكل الجسم المعني".

هي واحدةٌ من أقدم أشكال الطاقة التي استخدمتها البشرية، وكان استخدامها موجوداً حتى قبل اكتشاف مصادر البترول والطاقة النووية؛ إذ يشير معظم الناس ببساطةٍ إلى الطاقة الحرارية على أنَّها حرارةٌ، وتعتمد الطاقة الحرارية لكل مادةٍ دائماً على سرعة الجزيئات والذرات المكوِّنة للمادة، فإذا كانت حركة هذه الجزيئات والذرات أسرع، يقال إنَّ الجسم لديه طاقةٌ حركيةٌ أعلى.

بالمثل، من المعروف أنَّ الحركة الأسرع للجزيئات والذرات في الجسم تزيد من درجة حرارة الجسم، ولذلك تزداد الطاقة الحرارية مع زيادة الحركة، ومن ثمَّ تصبح شكلاً من أشكال الطاقة الحركية، ونظراً لأنَّ معظم الناس يخلطون بين الطاقة الحرارية وأشكال الطاقة والمصطلحات الأخرى مثل درجات الحرارة، فإنَّ العديد من الحقائق مخفيةٌ عن معرفة الكثير من الناس؛ لذلك من الضروري معرفة العديد من الأمثلة والحقائق الأساسية المتعلقة بالطاقة الحرارية؛ لذا تابعوا معنا لنعرف أكثر.

أنواع الطاقة الحرارية:

عندما تهتز الذرات والجزيئات المكوِّنة للجسم تؤدي إلى زيادة الطاقة الداخلية للجسم "الطاقة الحرارية"، وينشأ تدرجٌ في درجة الحرارة؛ لذا غالباً ما يتم تصنيف الطاقة الحرارية إلى أنواع مختلفة على أساس كيفية انتقال هذه الطاقة الداخلية في شكل حرارةٍ من جسمٍ إلى آخر. إليك فيما يأتي هذه الأنواع المختلفة:

1. التوصيل:

هو نوعٌ من الطاقة الحرارية التي تنطوي على حركة الجسيمات المكوِّنة لجسمٍ ما دون حركة الجسم نفسه، وقد يشاهَد عند المواد في جميع الحالات الصلبة والسائلة والغازية؛ إذ تؤدي الحركة الاهتزازية لجزيئات الجسم إلى زيادة الطاقة الحرارية "شكلٌ من أشكال الطاقة الداخلية" لكل ذرةٍ أو جزيءٍ يتم نقله عن طريق التلامس مع الذرات والجزيئات المجاورة داخل الجسم، ومن ثمَّ تنتج الطاقة الحرارية المرتبطة بالتوصيل من نقل الطاقة الداخلية المتزايدة لكل ذرةٍ أو جزيءٍ مكونٍ إلى آخر حتى يتم ضبط جميع الذرات أو الجزيئات في حالة اهتزاز.

في هذا النوع من الطاقة الحرارية يجب أن يتم الاتصال بين الجسيمات المجاورة قبل أن تمر الطاقة الحرارية على طول الجسم، وفي التوصيل يتعرض جزءٌ فقط من الموصل للعامل المحرض، ولكنَّ الارتفاع أو الانخفاض في الطاقة الحرارية ينتقل بالتساوي من جسيمٍ إلى آخر.

مثالٌ نموذجيٌ: عند رفع درجة حرارة ملعقةٍ من الفولاذ المقاوم للصدأ يتم إدخالها في الفرن لبعض الوقت مع استمرار التسخين، فالذرات أو الجزيئات الموجودة داخل الملعقة المصنوعة من الفولاذ المقاوم للصدأ التي تتلامس بشكلٍ مباشرٍ مع الجزء الأكثر سخونةً من الفرن، تصبح مهتزةً وتمتلك طاقةً داخليةً أكبر بسبب حركتها؛ إذ يتم نقل هذه الطاقة إلى الذرات أو الجزيئات المجاورة حتى يتم ضبط الذرات والجزيئات الموجودة في الملعقة في حالة اهتزازٍ مع زيادةٍ ناتجةٍ عن الطاقة الداخلية التي تظهر على شكل زيادة في درجة حرارة الملعقة.

2. الحمل الحراري:

لا يحدث الحمل الحراري فقط داخل الجسم، لكن أيضاً بين جسمين متلامسين، وإذا كانت إحدى المواد سائلةً أو غازيةً، فمن المؤكد أنَّ حركة السوائل ستحدث، وتسمى عملية نقل الطاقة بين سطحٍ صلبٍ ومتحركٍ سائلٍ أو غازيٍ بالحمل الحراري.

يخضع السائل إما للحمل الحراري الطبيعي أو القسري؛ وذلك عندما يتم تسخين سائلٍ أو غازٍ تقل كتلته لكل وحدة حجمٍ عموماً، وفي الحالات التي يكون فيها السائل أو الغاز في مجال الجاذبية، يرتفع السائل الأكثر سخونةً والأخف وزناً، بينما يغرق السائل الأكثر برودةً والأثقل.

هذا النوع من الحركة وبسبب عدم انتظام درجة حرارة المائع في وجود مجال الجاذبية، يسمى الحمل الحراري الطبيعي؛ إذ يتم تحقيق الحمل القسري عن طريق تعريض السائل لتدرج ضغطٍ، ومن ثمَّ إجبار الحركة على الحدوث وفقاً لقانون ميكانيكا الموائع.

مثالٌ نموذجيٌ لهذا النوع من الحمل الحراري: يتم تسخين الماء في وعاءٍ من الأسفل، فيتمدد السائل الأقرب إلى القاع وتقل كثافته، ونتيجةً لذلك يرتفع الماء الساخن إلى الأعلى وينزل بعض السائل البارد نحو الأسفل، وهذا يؤدي إلى حدوث حركةٍ دورانية.

بالمثل، في حجرة رأسيةٍ مملوءةٍ بالغاز، مثل الفراغ الهوائي بين لوحين من النوافذ في نافذةٍ زجاجيةٍ مزدوجةٍ أو نافذة (Termopane)، يتحرك الهواء بالقرب من الجزء الخارجي البارد لأسفل ويرتفع الهواء بالقرب من الجزء الداخلي الأكثر دفئاً مؤدياً إلى حركةٍ دورانيةٍ يشار إليها باسم "الحمل الحراري".

3. الإشعاع:

يختلف هذا النوع من الطاقة الحرارية اختلافاً جوهرياً عن كلٍّ من التوصيل والحمل الحراري في أنَّ المواد التي تتبادل الحرارة لا تحتاج إلى الاتصال ببعضها بعضاً، وفي الواقع، يحدث نقل الطاقة الحرارية عن طريق الإشعاع بين جسمين على الرغم من فصلهما بفراغٍ، وينطبق مصطلح "إشعاع" عموماً على جميع أنواع ظواهر الموجات الكهرومغناطيسية.

ينص قانون "بلانك" في الفيزياء على أنَّ: جميع المواد تبعث طاقةً مشعةً فقط بحكم وجود درجة حرارةٍ مطلقةٍ موجبةٍ، ومن ثمَّ تنتج درجات الحرارة المرتفعة كمياتٍ أكبر من الطاقة، وإضافة إلى الانبعاثات فإنَّ جميع المواد قادرةٌ على امتصاص الإشعاع، ويتضح هذا من خلال حقيقة أنَّه وعلى الرغم من أنَّ مكعب الثلج يبعث طاقةً مشعةً باستمرار، إلا أنَّه يذوب عندما يركَّز عليه مصباحٌ متوهجٌ؛ وذلك لأنَّه سيمتص قدراً أكبر من الحرارة مما يمكن أن ينبعث منه.

أمثلة عن الطاقة الحرارية:

عندما يتعلق الأمر بأمثلةٍ للطاقة الحرارية، فثمة أمثلةٌ لا حصر لها، ففي المنزل على سبيل المثال، تُظهر معظم الأشياء طاقةً حراريةً، وهي شكلٌ من أشكال الطاقة الحركية والطاقة الكامنة، كما نتفاعل أيضاً مع العديد من حالات الطاقة الحرارية في حياتنا اليومية.

فيما يأتي بعض الأمثلة عن الطاقة الحرارية التي غالباً ما تصادفنا:

1. الطاقة الشمسية:

يعمل الإشعاع الشمسي "أحد أشكال الطاقة الحرارية" على تسخين غلافنا الجوي، ولهذا السبب نشعر بالحرارة على الأرض.

2. الطاقة الحرارية الجوفية:

الطاقة الحرارية الأرضية هي شكلٌ من أشكال الطاقة داخل القشرة الأرضية، تنشأ من الحرارة الشديدة المتدفقة باستمرارٍ إلى الخارج من أعماق الأرض، وتنبع هذه الحرارة بشكلٍ أساسيٍ من اللب، وتتولد هذه الحرارة داخل القشرة الأرضية بشكلٍ أساسيٍ من تحلل العناصر المشعة الموجودة في جميع الصخور.

فالقشرة التي يبلغ سمكها نحو 5 إلى 75 كم "نحو 3 إلى 47 ميلاً"، تعزل سطح الأرض عن الداخل الساخن الذي قد يصل في اللب إلى درجات حرارةٍ تتراوح من 4000 درجة مئوية إلى 7000 درجة مئوية "نحو 7200 درجة فهرنهايت إلى 12600 درجة فهرنهايت"، وعندما تتركز الحرارة بالقرب من سطح الأرض يمكن استخدامها بوصفها مصدراً للطاقة.

3. الطاقة الحرارية من المحيطات:

تمتلك أسطح المحيطات ومياه البحر إمكاناتٍ هائلةً لتخزين الطاقة الحرارية؛ وذلك بفضل تعرضها المباشر لأشعة الشمس لفتراتٍ طويلةٍ، ويتم استغلال هذه الطاقة الحرارية من خلال الاستفادة من الفرق بين درجات حرارة المناطق البحرية الضحلة والعميقة.

باستخدام التكنولوجيا المناسبة، يمكننا حصاد الطاقة الحرارية من المحيطات ومياه البحر لتشغيل مختلف الصناعات والآلات والتطبيقات لدعم التنمية الاقتصادية، وتُعرَف التكنولوجيا المستخدَمة في تسخير هذه الطاقة عموماً باسم تحويل الطاقة الحرارية للمحيطات (OTEC).

4. طاقة خلايا الوقود:

يمكننا أيضاً تسخير الطاقة المنتَجة من الطاقة الحرارية باستخدام خلايا الوقود؛ إذ تولِّد خلية الوقود الطاقة من تفاعلٍ كيميائيٍ يحدث في أقطابها، وينتج هذا التفاعل بين قطبين كهربائيين أيوناتٍ أو جسيماتٍ مشحونةٍ يحملها إلكتروليت، وبعدها تُسخَّر الحرارة المتولدة في أثناء هذه العملية لاستخدامها في تعزيز كفاءة الطاقة.

5. كوب شوكولاتة باردة وكوب من حليب الشوكولاتة الساخنة:

يميل فنجان الشوكولاتة الساخنة إلى أن يكون أكثر دفئاً من كوبٍ آخر من نفس الشوكولاتة عندما يكون بارداً، ففي هذه الحالة، يمكن استنتاج أنَّ حليب الشوكولاتة الساخنة يُظهر طاقةً حراريةً أعلى مقارنةً بحليب الشوكولاتة الباردة، فمن خلال وضع حليب الشوكولاتة على موقدٍ ساخنٍ، سترتفع درجة حرارة الحليب؛ وهذا بسبب أنَّ الحليب ببساطةٍ قادرٌ على امتصاص الطاقة الحرارية القادمة من الموقد الساخن.

6. ذوبان الثلج:

عند إضافة الثلج إلى كوبٍ من الماء تنخفض درجة حرارة الماء مع زيادة درجة حرارة الثلج، ويحدث هذا لأنَّ الطاقة الحرارية للمياه الأكثر دفئاً من الجليد ستجعل الجليد يذوب.

أمثلة شائعة أخرى للطاقة الحرارية:

• يمتلك كوب ماءٍ بثماني أوقياتٍ عند 70 درجةً كميةً أعلى من الطاقة الحرارية مقارنةً بكوبٍ من ثماني أونصاتٍ من الماء عند 60 درجة.
• شوايةٌ تولد طاقةً حراريةً بحرق البروبان.
• عند تشغيل الحاسوب، تولِّد مكوناته الداخلية طاقةً حراريةً؛ لذا يجب تبريد هذه الطاقة باستخدام مروحةٍ صغيرةٍ مثبتةٍ داخله.
• يحتوي الموقد الساخن على طاقةٍ حراريةٍ تنتقل إلى وعاءٍ معدنيٍ يحتوي على ماء موضوع عليه، وهذا يزيد من سرعة جزيئات الماء، ومن ثمَّ زيادة درجة حرارة الماء الموجود في هذا الوعاء.
• تمتلك القطة طاقةً حراريةً بداخلها، والتي يمكن أن تنتقل إلى الإنسان عندما تجلس في حضنه.

حقائق شيقة عن الطاقة الحرارية:

• الحقيقة 1: تُقاس الطاقة الحرارية بالجول.
• الحقيقة 2: ثمة علاقةٌ بين الطاقة الحرارية ودرجة حرارة الجسم.
• الحقيقة 3: الطاقة الحرارية هي إحدى مكونات الطاقة الكلية داخل الجسم.
• الحقيقة 4: يصعب تحويل الطاقة الحرارية إلى أشكال طاقةٍ أخرى مقارنةً بأشكالٍ أخرى من الطاقة.
• الحقيقة 5: لا يمكن للأجسام أن تحتوي على الحرارة؛ إنَّما تمتلك طاقةً حراريةً؛ هذا لأنَّ الحرارة تُعَدُّ عمليةً تنتج عن فعلٍ ما.
• الحقيقة 6: عندما تنتقل الطاقة الحرارية من أو إلى جسمٍ ما، يشار إليها بالحرارة.
• الحقيقة 7: أنت بحاجةٍ إلى آلةٍ مثل المحرك لتحويل الطاقة الحرارية إلى أشكال طاقةٍ أخرى.
• الحقيقة 8: تحل حرارة الشمس محل حرارة الأرض التي تضيع في الفضاء.
• الحقيقة 9: لا تعتمد كمية الطاقة الحرارية على مقدار العمل الذي يقوم به شيءٌ ما؛ إنَّها بخلاف أشكال الطاقة الأخرى.
• الحقيقة 10: يُعرف "جيمس جول" بأنَّه أول شخصٍ تحدَّث عن اكتساب وفقدان الحرارة، ولكنَّه لم يكن أول من استخدم مصطلح "الطاقة الحرارية".

في الختام:

لقد تحدَّثنا في هذا المقال عن الطاقة الحرارية وماهيتها وكيف تنشأ، وتعرَّفنا معاً إلى أنواعها وذكرنا بعض الأمثلة عنها، بالإضافة إلى بعض الحقائق الشيقة عنها.