الطاقة الحرارية: التعريف والمعادلة والأنواع (ث / رسم بياني وأمثلة)

الطاقة الحرارية ، وتسمى أيضًاطاقة حراريةأو ببساطةالحرارة، هو نوع منداخليالطاقة التي يقال إن الجسم يمتلكها بسبب الطاقة الحركية للجسيمات المكونة له.

الطاقة نفسها ، رغم أنها سهلة بما يكفي لتعريفها من الناحية الرياضية ، فهي من بين الكميات الأكثر مراوغة في الفيزياء من حيث ماهيتها بشكل أساسيهو. هناك العديد من أشكال الطاقة ، ومن الأسهل تعريف الطاقة من حيث حدود سلوكها الحسابي أكثر من تأطيرها بلغة محددة.

على عكسمتعديةأوالتناوبالطاقة الحركية ، التي تنشأ من الحركة عبر مسافة خطية أو في دائرة ، على التوالي (ويمكن أن تحدث معًا ، كما هو الحال مع إلقاء Frisbee) ، تأتي الطاقة الحرارية من حركة أعداد هائلة من الجزيئات الصغيرة ، وهي حركة يمكن اعتبارها اهتزازًا حول نقاط ثابتة في الفضاء.

في المتوسط ​​، تم العثور على كل جسيم في مكان معين داخل النظام الممتد أثناء تجواله بشكل محموم حول هذه النقطة ، حتى لو لم يكن الجسيم محتملًا إحصائيًا في أي وقت وجدت هناك. هذا يشبه إلى حد ما متوسط ​​موضع الأرض مع مرور الوقت بالقرب من مركز الشمس على الرغم من أن هذا الترتيب (لحسن الحظ!) لا يحدث أبدًا.

في أي وقت تتلامس فيه مادتان ، بما في ذلك الهواء ،

الكائن ومحيطه يواجهون زيادة فيدرجة الحرارة، وهومظهر قابل للقياس الكمي للطاقة الحرارية وانتقال الحرارة، تقاس بالدرجات المئوية (درجة مئوية) أو درجة فهرنهايت (درجة فهرنهايت) أو كلفن (ك). عندما تفقد الأجسام الحرارة ، تنخفض إلى درجة حرارة منخفضة.

تأتي الطاقة بأشكال مختلفة بالإضافة إلى وحدات مختلفة ، وأكثرها شيوعًا هوجول (J)، سميت على اسم جيمس بريسكوت جول. الجول نفسه له وحدات القوة مضروبة في المسافة ، أو نيوتن متر (نيوتن متر). بشكل أساسي ، وحدات الطاقة هي kg⋅m²/س².

أحد المفاهيم المرتبطة ارتباطًا وثيقًا بالطاقة هوالشغلالتي تحتوي على وحداتمنالطاقة لكنها لا تعتبرمثلالطاقة من قبل علماء الفيزياء. يمكن القول أن العمل "تم في" أالنظامعن طريق إضافة الطاقة إليه ، مما يؤدي إلى تغيير مادي في النظام (على سبيل المثال ، يحرك مكبسًا أو يدور ملفًا مغناطيسيًا - أي يقوم بعمل مفيد). النظام هو أي تكوين مادي بحدود محددة بوضوح ، والتي يمكن أن تكون الأرض ككل.

بالإضافة إلى الطاقة الحرارية (مكتوبة عادةً Q) والطاقة الحركية (النوع الخطي أو الدوراني "العادي") ، تشمل الأنواع الأخرى من الطاقةالطاقة الكامنة​, ​الطاقة الميكانيكيةوطاقة كهربائية. الجانب الحاسم للطاقة هو أنه دائمًا ، بغض النظر عن كيفية ظهورها في أي نظاممحفوظ​.

عندما يكون هناك انتقال للطاقة الحرارية إلى البيئة (أي "تتبدد" أو "تضيع") ، من بالطبع لا يتم تدمير أي طاقة بأي شكل من الأشكال ، لأن هذا من شأنه أن ينتهك الحفاظ على طاقة.

ومع ذلك ، لا يمكن استعادة هذه الحرارة بالكامل وإعادة استخدامها ، ولهذا السبب يطلق عليها شكل أقل فائدة من الطاقة. عندما تمر بمبنى أو فتحة أرضية في الشتاء وتتدفق سحابة لا نهاية لها من البخار أو الهواء الدافئ ، فهذا مثال واضح على الطاقة الحرارية التي "لا فائدة منها". من ناحية أخرى ، أمحرك حراريمثل تلك الموجودة في السيارات التي تعمل بالبنزين ، تستخدم الطاقة الحرارية للطاقة الميكانيكية.

درجة حرارة الجسم أو النظام هي مقياس لـمعدلالطاقة الحركية الانتقالية لكل جزيء من هذا الجسم ، بينما الطاقة الحرارية هي إجمالي الطاقة الداخلية للنظام. عندما تتحرك الجسيمات ، هناك دائمًا طاقة حركية. يتطلب تحريك الحرارة لأعلى عكس التدرج الحراري العمل ، مثل استخدام المضخات الحرارية.

قد تظهر الطاقة الحرارية هنا على أنها كمية شريرة ، ولكن يمكن استخدامها بشكل ممتاز في الطهي وعوالم أخرى ويتم استخدامها. عندما تهضم الطعام ، تقوم بتحويل الطاقة الكيميائية من الروابط الموجودة في الكربوهيدرات والبروتينات والدهون إلى الحرارة ("السعرات الحرارية" بدلاً من الجول في المصطلحات الشائعة).

​احتكاكيولد حرارة ، غالبًا بسرعة. إذا فركت يديك معًا بسرعة ، فسوف يسخن بسرعة. يطلق السلاح الآلي الرصاص من البرميل بسرعة كبيرة بحيث يصبح المعدن شديد السخونة عند لمسه على الفور تقريبًا.

ضع في اعتبارك قطعة من الرخام تتدحرج داخل وعاء. يشمل "النظام" أيضًا البيئة (أي الأرض ككل). مع تحركه لأعلى الجانب ، يتم تحويل المزيد من طاقته الإجمالية إلى طاقة وضع الجاذبية ؛ مع تسريعها بالقرب من القاع ، يتم تحويل المزيد من تلك الطاقة إلى طاقة حركية. إذا كانت هذه هي القصة بأكملها ، فستستمر الرخام في الصعود والنزول إلى الأبد ، لتصل إلى نفس الارتفاعات والسرعات مع كل دورة.

بدلاً من ذلك ، في كل مرة يصعد فيها الرخام جانبًا ، فإنه يتسلق أقل ارتفاعًا ، وتكون سرعته في الأسفل أقل قليلاً ، حتى يستقر الرخام في النهاية في الأسفل. هذا لأنه طوال الوقت الذي كان يتدحرج فيه الرخام ، تم تحويل المزيد والمزيد من "فطيرة" الطاقة الإجمالية إلى "شريحة" أكبر وأكبر من الطاقة الحرارية وتشتت في البيئة ، ولم تعد صالحة للاستعمال بواسطة رخام. في الجزء السفلي ، "أصبحت" كل طاقة النظام طاقة حرارية.

إحدى المعادلات التي قد تواجهها هي المعادلةالسعة الحرارية​:

أينسهي الطاقة الحرارية بالجول ،مهي كتلة الجسم الذي يتم تسخينه ،جهو الكائنحرارة نوعية​ ​الاهليةودلتا تيهو تغير درجة الحرارة بالدرجة المئوية. السعة الحرارية النوعية للمادة هيكمية الطاقة المطلوبة لرفع درجة حرارة 1 جرام من تلك المادة بمقدار 1 درجة مئوية​.

وبالتالي ، فإن السعات الحرارية الأعلى تعني مقاومة أكبر للتغير في درجة الحرارة لكتلة معينة من مادة ما ، وزيادة الكتلة في حد ذاتها تعني سعة حرارية أعلى. هذا منطقي الحدسي. إذا عرّضت 10 مل من الماء إلى درجة حرارة عالية في الميكروويف لمدة دقيقة واحدة ، فسيكون تغير درجة الحرارة بعيدًا أكبر مما لو قمت بتسخين 1000 مل من الماء بدءًا من نفس درجة الحرارة لنفس المدة الزمنية.

الديناميكا الحرارية هي دراسة كيفية تفاعل العمل والحرارة والطاقة الداخلية في نظام ما. الأهم من ذلك ، أنها معنية فقط بالرصدات واسعة النطاق التي يمكن قياسها ؛ تتناول النظرية الحركية للغازات التفاعلات على مستوى الاهتزازات.

​القانون الأول للديناميكا الحراريةتنص على أنه يمكن حساب التغيرات في الطاقة الداخلية بفقدان الحرارة: ΔE = Q - W ، أينΔEهو تغيير في الطاقة الداخلية (Δ هو الحرف اليوناني "دلتا" ، ويعني "الاختلاف" هنا) ،سهي كمية الطاقة الحرارية المنقولةداخلالنظام ودبليوهو العمل المنجزبواسطةالنظام على المناطق المحيطة.

​القانون الثاني للديناميكا الحراريةينص على أنه كلما تم العمل ، فإن مقدارغير قادر عليفي الغلاف الجوي يزيد. وبالتالي فإن تدفق الطاقة الحرارية يتسبب باستمرار في زيادة الانتروبيا.

• غير قادر علي (س) هو متغير حالة ، خاصية ديناميكية حرارية لنظام يعني بشكل فضفاض "الفوضى" ، ويمكن التعبير عن حركته على النحو التالي 

​القانون الثالث للديناميكا الحراريةتنص على أن الانتروبياسمن نظام يقترب من قيمة ثابتة مثل درجة الحرارةتييقتربالصفر المطلق(0 ك ، أو -273 درجة مئوية).

عندما يكون جسم واحد في درجة حرارة أعلى من الجسم القريب ، فإن هذا الاختلاف في درجة الحرارة يفضل نقل الطاقة في شكل حرارة إلى الجسم الأكثر برودة.

هناك ثلاث طرق أساسية لإحداث انتقال الحرارة من جسم إلى آخر:التوصيل(اتصال مباشر)،الحمل(الحركة من خلال سائل أو غاز) وحراريإشعاع(الحركة عبر الفضاء).