مدخل إلى الطاقة الحرارية
الطاقة الحرارية، والتي يُشار إليها باللغة الإنجليزية بمصطلح (Thermal Energy)، هي عبارة عن الطاقة الإجمالية الناتجة عن حركة الجزيئات الداخلية للمادة بشكل عشوائي وغير منظم. تتكون المواد من جزيئات أو ذرات، وتختلف سرعة الطاقة الحركية لهذه الجزيئات، فهي ليست ثابتة بل تعتمد على درجة الحرارة. هناك علاقة طردية بين درجة الحرارة ومتوسط سرعة الطاقة الحركية، فكلما زادت درجة الحرارة، زادت الطاقة الحركية للجزيئات.
تختلف حركة الجزيئات تبعاً لحالة المادة. في السوائل والغازات، تكون حركة الجزيئات حرة وغير مقيدة، بينما في المواد الصلبة، تكون الجزيئات مقيدة وتقتصر حركتها على الاهتزاز. لا يمكن رؤية هذه الجزيئات بالعين المجردة لصغر حجمها، إلا أنها تمتلك كتلة صغيرة تتسبب في توليد طاقة حركية عند وجود سرعة. قد تتفاعل الجزيئات مع بعضها البعض أو مع البيئة المحيطة، وهذا التفاعل يعتمد على طبيعة المادة وينتج أنواعاً أخرى من الطاقة.
آلية تحويل الطاقة الحرارية
لتحويل الطاقة الحرارية من جسم إلى آخر، يجب أن يكون هناك توازن حراري ديناميكي واختلاف في درجة الحرارة بين الجسمين. يتم ذلك عن طريق دمج الجسمين أو ملامستهما ببعضهما البعض عند درجات حرارة مختلفة، مما يؤدي إلى انتقال الطاقة الحرارية، كما يحدث في المحركات الحرارية. هذا يختلف عن أنواع الطاقة الأخرى التي لا تتطلب توازناً حرارياً ديناميكياً، حيث يمكن تحويل طاقة السائل المتدفق أو المادة الصلبة مباشرة إلى عمل في الأجهزة الميكانيكية مثل الطواحين الهوائية أو توربينات المياه. ولكن لا يمكن للسائل أو المادة الصلبة القيام بأي عمل عندما يكون في حالة توازن ديناميكي حراري.
يمكن تقدير الطاقة الحرارية بقياس درجة الحرارة. الطاقة الموجودة في جزيئات الجسم تتكون من الطاقة الكامنة (EP) والطاقة المجهرية الكامنة (EK)، ويُطلق عليها المحتوى الحراري، والذي يؤدي إلى إنتاج الطاقة الكلية (ET) وفقاً للمعادلة التالية:
الطاقة الكلية للجسم = EK + EP
طرق نقل الطاقة الحرارية
توجد ثلاث طرق أساسية لنقل الطاقة الحرارية:
التوصيل (Conduction)
تنتقل الطاقة الحرارية عن طريق التوصيل عندما يتصادم جسمان مختلفان في درجة الحرارة. الحرارة تنتقل من الجسم الأسخن، الذي يمتلك طاقة حرارية عالية، إلى الجسم الأبرد، مما يؤدي إلى تبادل الطاقة الحرارية والحركية. تحتوي الأجسام على ذرات، وجزيئات، وأيونات تتحرك باستمرار (في السوائل والغازات) أو تهتز (في المواد الصلبة). يتم تبادل الطاقة بين هذه الجسيمات حتى يتم الوصول إلى توزيع متجانس للحرارة. مثال على ذلك هو وضع وعاء معدني على موقد ساخن، حيث تنتقل الحرارة من الموقد إلى الوعاء عن طريق التوصيل.
الحمل الحراري (Convection)
الحمل الحراري هو عملية نقل الحرارة من مادة إلى أخرى عن طريق حركة السوائل (السوائل والغازات). يعتمد هذا النوع من النقل على فرق الكثافة بين الأجسام. الموائع الأبرد تكون أعلى كثافة، بينما الموائع الأسخن تكون أقل كثافة. عندما يتم تسخين مائع، ترتفع الجزيئات الأقل كثافة إلى الأعلى، مما يؤدي إلى تكوين تيارات حرارية.
الإشعاع (Radiation)
الإشعاع هو طريقة لنقل الحرارة لا تتطلب اتصالاً مباشراً بين جسمين. تنتقل الطاقة الحرارية على شكل موجات كهرومغناطيسية من مصدر الحرارة إلى البيئة المحيطة. مثال على ذلك هو وصول حرارة الشمس إلى الأرض، حيث تنتقل الطاقة عبر الفضاء على شكل موجات كهرومغناطيسية.
لمحة عن مصادر الطاقة البديلة
بالتأكيد سمعت عن الطاقة المتجددة، لكن بعض مصادرها غير متوقعة على الإطلاق.
