الفيزياء الحرارية: نظرة عامة

من المحتمل أن تكون على دراية بمقاييس الحرارة وقياس درجات الحرارة ، والشعور بالحرارة والبرودة ، وما يلزم لغلي الماء. حان الوقت الآن للتوسع في فهمك الحدسي للحرارة ودرجة الحرارة ومعرفة كيف يفعل الفيزيائيون ذلك.

في هذه المقدمة للفيزياء الحرارية سوف تتعلم ماهية الحرارة ودرجة الحرارة وكذلك الظواهر التي ينطبق عليها هذا الفرع من الفيزياء.

الفيزياء الحرارية هي دراسة الحرارة ودرجة الحرارة. يتم تعريف الحرارة على أنها طاقة تنتقل بين جسمين بدرجات حرارة مختلفة - الانتقال من الجسم الأكثر دفئًا إلى الجسم الأكثر برودة.

الحرارة هو نوع من الطاقة الحرارية. الطاقة الحرارية هي الطاقة المرتبطة بالحركة الجزيئية داخل الجسم. داخل أي جسم ، لا تقف الجزيئات ثابتة فحسب ؛ على الرغم من عدم قدرتك على رؤية الحركة بوضوح ، فإنهم جميعًا يتنقلون ويتصادمون.

درجة حرارة هو مقياس لمتوسط ​​الطاقة الحركية لكل جزيء. قد تكون على دراية بقياسها بالدرجات فهرنهايت أو حتى مئوية ، لكن وحدة SI التي يفضلها العلماء هي كلفن.

المجموع الطاقة الداخلية كائن يعتمد على كتلته ودرجة حرارته و السعة الحرارية محددة. السعة الحرارية النوعية هي مقياس لمقدار الطاقة الحرارية المطلوبة لرفع درجة حرارة وحدة الكتلة بمقدار درجة واحدة. المواد المختلفة لها سعات حرارية مختلفة ، ويمكن عادةً البحث عن السعة الحرارية لأي مادة معينة في الجدول.

يمكن أن تنتقل الحرارة من كائن إلى آخر بثلاث طرق أساسية. هؤلاء هم:

• التوصيل
• الحمل
• إشعاع

في التوصيل ، يكون الجسمان على اتصال جسدي ، وتتحرك الطاقة الحرارية من الجسم الأكثر دفئًا إلى الجسم الأكثر برودة عن طريق الاصطدام المباشر بين الجزيئات في الأشياء.

في الحمل الحراري ، يتم نقل الحرارة عن طريق التيارات الحرارية. يحدث هذا عند غلي الماء على الموقد. يسخن الماء الموجود في قاع المقلاة أولاً ، وعندما يسخن ، يتمدد ، ويصبح أقل كثافة. نظرًا لكونه أقل كثافة ، فإنه يرتفع إلى أعلى المقلاة بينما يغرق الماء البارد ثم يسخن.

في الإشعاع ، تنتقل الطاقة الحرارية عبر الإشعاع الكهرومغناطيسي. هذه هي الطريقة التي تحصل بها على الطاقة من الشمس. تنتقل هذه الطاقة عبر فراغ الفضاء كإشعاع ، ثم يسخن الأرض عندما تصل إلينا.

عند إضافة الطاقة الحرارية إلى المواد ، تزداد درجة حرارتها. في بعض النقاط ، ودعا انتقالات المرحلة، مرحلة التغييرات المادية. يمكن أن تتغير المواد من صلبة إلى سائلة ومن سائلة إلى غازية ، وحتى من غاز إلى بلازما.

تعتمد درجات الحرارة التي يحدث فيها تغيير الطور على المادة نفسها وظروف الضغط. تتم دراسة ذلك باستخدام مخطط الطور.

تعتمد كمية الطاقة المطلوبة لتغيير طور المادة على الحرارة الكامنة لتلك المادة. الحرارة الكامنة لانصهار مادة ما هي مقدار الطاقة الحرارية المطلوبة لتغيير كتلة وحدة من تلك المادة من مادة صلبة إلى سائلة. الحرارة الكامنة لتبخير مادة ما هي مقدار الطاقة الحرارية المطلوبة لتغييرها من سائل إلى غاز.

تؤدي الفيزياء الحرارية في النهاية إلى دراسة الديناميكا الحرارية ، وهي فرع الفيزياء الذي يدرس تغيير الأنظمة الحرارية باستخدام النظرية الحركية والميكانيكا الإحصائية.

هناك ثلاثة قوانين للديناميكا الحرارية التي تحكم العمليات الديناميكية الحرارية. هذه تسمى ، ببساطة ، القانون الأول للديناميكا الحرارية ، والقانون الثاني للديناميكا الحرارية والقانون الثالث للديناميكا الحرارية. عندما تتعرف على هذه القوانين لأول مرة ، ستتعلم عادةً كيفية تطبيقها على الغاز المثالي والاستفادة من قانون الغاز المثالي.

يمكن أن تساعدك الديناميكا الحرارية على فهم كيفية عمل المحركات البخارية والثلاجات والمضخات الحرارية والعناصر المماثلة الأخرى.