نقدم لكم بحثًا حول الحرارة، حيث تمثل الحرارة جزءًا كبيرًا من حياتنا وتؤثر بشكل كبير على نشاطاتنا الحياتية، وتحتاج إلى استخدامها بأنواعها المختلفة في العديد من المواقف، مثل الطهي والاستحمام وتشغيل أجهزة التكييف في مختلف الأوقات، وتختلف مفاهيم الحرارة حسب فهمها، وفي هذا المقال سنوضح مفهوم الحرارة ونقدم بعض المعلومات الهامة حولها في موسوعتنا.
بحث عن الحرارة وطرق انتقالها
تعريف الحرارة في العلوم
الحرارة هي شكل من أشكال الطاقة المنتقلة بين مادتين تتفاوت درجات حرارتهما.
تتجه الطاقة من المادة ذات درجة حرارة عالية إلى المادة ذات درجة حرارة منخفضة.
تقاس درجة الحرارة بوحدات الطاقة، وعادة ما تكون السعرات الحرارية أو الجول).
غالبًا ما يتم استخدام مصطلح الحرارة ودرجة الحرارة بشكل متبادل، ولكن هذا غير صحيح؛ فدرجة الحرارة هي مقياس لدرجة السخونة أو البرودة في المادة، وبشكل آخر، تمثل درجة الحرارة متوسط الطاقة الحركية لكل جزيء في المادة.
يمكن قياس درجة الحرارة بعدة وحدات، بما في ذلك الدرجة المئوية (C)، وفهرنهايت (F)، والكلفن (K).
ببساطة، درجة الحرارة تعني درجة حرارة جسم ما، فيما تعني الحرارة الطاقة التي تتدفق من جسم أكثر حرارة إلى جسم أكثر برودة، على سبيل المثال، عند وضع يدك حول فنجان قهوة قد تشعر بالحرارة، حيث يحدث انتقال الحرارة من القهوة إلى الكوب ويجعل الجو حارًا.
التمدد الحراري
الديناميكا الحرارية
تتناول الديناميكا الحرارية دراسة الحرارة وتحويلها إلى طاقة ميكانيكية، وهناك أربع قوانين، ولكن نركز فقط على القانونين الرئيسيين، وهما: القانون الأول والقانون الثاني.
القانون الأول
ينص القانون الأول على أن تغير الطاقة الداخلية للمادة يعادل العمل المنجز عليها بالإضافة إلى الحرارة التي تم نقلها إليها، ورياضيًا يتم استخدام المعادلة التالية:
دلتا U = العمل + Q.
الطاقة الداخلية تُعرف بأنها مجموع الطاقات الحركية والكامنة لجميع الذرات والجزيئات داخل المادة.
تكمن أهمية القانون الأول للديناميكا الحرارية في وجود طريقتين لزيادة درجة حرارة المادة، وهما:
- تتم عملية التسخين عن طريق تعريض المادة لحرارة أعلى من الحرارة الحالية.
- يمكن تحقيق ذلك عن طريق تنفيذ أنواع معينة من الأعمال على المادة.
الاحتكاك والضغط على الغازات يعدان مثالين عن الطرق التي يمكن من خلالها زيادة درجة الحرارة في العمل.
ويتم تفسير وجود المكابس في محركات الاحتراق الداخلي بأن الهواء يتم ضغطه في اسطوانة بواسطة المكبس، وهذا يؤدي إلى ارتفاع درجة الحرارة إلى حوالي سبعة وعشرين ضعفًا عن درجة الحرارة في الحالة غير المضغوطة.
القانون الثاني
ينص القانون الثاني على أنه لا يمكن نقل الحرارة من جسم بارد إلى جسم أكثر سخونة إلا بوجود مؤثر خارجي.
بشكل آخر، فلا يمكن بناء أي جهاز يستخرج الحرارة بشكل متكرر من مصدر ما دون إطلاق بعض الحرارة إلى خزان منخفض الحرارة، وأفضل مثال على ذلك هو محرك الحرارة الذي يوفر الطاقة الميكانيكية عن طريق إخراج بعض الحرارة.
طرق انتقال الحرارة
يحدث انتقال الحرارة عن طريق ثلاث آليات: التوصيل، الحمل الحراري، والإشعاع.
التوصيل
هو عملية نقل الحرارة بين الذرات والجزيئات المتصلة مباشرةً.
الحمل الحراري
نقل الحرارة عن طريق حركة المادة المسخنة نفسها يسمى التوصيل الحراري بالتيارات في السائل.
الإشعاع
يتم نقل الحرارة عن طريق الموجات الكهرومغناطيسية.
انتقال الحرارة في العمليات الكيميائية
يتطلب تصميم أنظمة نقل الحرارة للعمليات الكيميائية بشكل ضروري لزيادة الكفاءة.
نظرًا لأن نقل الحرارة في العديد من العمليات الكيميائية يتطلب استهلاكًا كبيرًا للطاقة، فإن الفشل في التركيز على الكفاءة يمكن أن يؤدي إلى زيادة التكاليف دون سبب.
يُعد نقل الحرارة من سائل إلى آخر جزءًا أساسيًا في جميع العمليات الكيميائية، إما لتهدئة مادة كيميائية بعد تكوينها أثناء تفاعل طارد للحرارة، أو لتسخين المكونات قبل بدء التفاعل لإنتاج منتج نهائي، ولذلك فعملية المعالجة الحرارية هي جوهر العملية الكيميائية.
