الحرارة (الفيزياء): التعريف والصيغة والأمثلة

يعرف الجميع مفهوم السخونة الشديدة أو البرودة الشديدة أو الشعور بالحرارة من الشمس في يوم دافئ ، ولكن ماذا تعني كلمة "حرارة" تحديدًا؟ هل هي خاصية لشيء "ساخن"؟ هل هي نفس درجة الحرارة؟ اتضح أن الحرارة هي كمية قابلة للقياس حددها الفيزيائيون بدقة.

الحرارة هي ما يسميه العلماء شكل الطاقة التي تنتقل بين مادتين بدرجات حرارة مختلفة. يحدث هذا النقل للطاقة بسبب الاختلافات في متوسط ​​الطاقة الحركية الانتقالية لكل جزيء في المادتين. تتدفق الحرارة من المادة ذات درجة الحرارة المرتفعة إلى المادة ذات درجة الحرارة المنخفضة حتى يتم الوصول إلى التوازن الحراري. وحدة الحرارة في النظام الدولي للوحدات هي الجول ، حيث 1 جول = 1 نيوتن × متر.

لفهم ما يحدث بشكل أفضل عند حدوث نقل الطاقة هذا ، تخيل السيناريو التالي: عبوتين مختلفتين مملوءتين بكرات مطاطية صغيرة ترتد حولها. في إحدى الحاويات ، يكون متوسط ​​سرعة الكرات (وبالتالي متوسط ​​طاقتها الحركية) أكبر بكثير من متوسط ​​سرعة الكرات في الثانية حاوية (على الرغم من أن سرعة أي كرة فردية يمكن أن تكون أي شيء في أي وقت لأن العديد من الاصطدامات تؤدي إلى انتقال مستمر للطاقة بين كرات.)

إذا وضعت هذه الحاويات بحيث تلامس جوانبها ، ثم أزلت الجدران التي تفصل محتوياتها ، ماذا تتوقع أن يحدث؟

ستبدأ الكرات من الحاوية الأولى بالتفاعل مع الكرات من الحاوية الثانية. مع حدوث المزيد والمزيد من التصادمات بين الكرات ، يصبح متوسط ​​سرعات الكرات من كلتا الحاويات كما هو تدريجيًا. يتم نقل بعض الطاقة من الكرات من الحاوية الأولى إلى الكرات الموجودة في الحاوية الثانية حتى يتم الوصول إلى هذا التوازن الجديد.

هذا هو ما يحدث بشكل أساسي على المستوى المجهري عندما يتلامس جسمان من درجات حرارة مختلفة مع بعضهما البعض. يتم نقل الطاقة من الجسم عند درجة حرارة أعلى في شكل حرارة إلى الجسم ذي درجة الحرارة المنخفضة.

درجة الحرارة هي مقياس لمتوسط ​​الطاقة الحركية الانتقالية لكل جزيء في مادة ما. في تشبيه الكرات في الحاوية ، فهو مقياس لمتوسط ​​الطاقة الحركية لكل كرة في حاوية معينة. على المستوى الجزيئي ، تهتز الذرات والجزيئات وتتذبذب حولها. لا يمكنك رؤية هذه الحركة لأنها تحدث على نطاق ضيق.

مقاييس درجة الحرارة الشائعة هي فهرنهايت ودرجة مئوية وكلفن ، مع كون كلفن هو المعيار العلمي. مقياس فهرنهايت هو الأكثر شيوعًا في الولايات المتحدة. على هذا المقياس ، يتجمد الماء عند 32 درجة ويغلي عند 212 درجة. على مقياس سيليزيوس ، وهو شائع في معظم الأماكن الأخرى في العالم ، يتجمد الماء عند 0 درجة ويغلي عند 100 درجة.

ومع ذلك ، فإن المعيار العلمي هو مقياس كلفن. في حين أن حجم الزيادة على مقياس كلفن هو نفسه حجم درجة على مقياس سلزيوس ، يتم تعيين القيمة 0 في مكان مختلف. 0 كلفن يساوي -273.15 درجة مئوية.

لماذا هذا الاختيار الغريب لـ 0؟ اتضح أن هذا خيار أقل بكثير من القيمة الصفرية لمقياس سيليزيوس. 0 كلفن هي درجة الحرارة التي تتوقف عندها الحركة الجزيئية. إنها أبرد درجة حرارة مطلقة ممكنة نظريًا.

في ضوء ذلك ، يكون مقياس كلفن أكثر منطقية من مقياس سلزيوس. فكر في كيفية قياس المسافة ، على سبيل المثال. سيكون من الغريب إنشاء مقياس مسافة حيث كانت القيمة 0 تعادل علامة 1 متر. على هذا النطاق ، ماذا يعني أن يكون طول شيء ما ضعف طول شيء آخر؟

إجمالي الطاقة الداخلية لمادة ما هو مجموع الطاقات الحركية لجميع جزيئاتها. يعتمد ذلك على درجة حرارة المادة (متوسط ​​الطاقة الحركية لكل جزيء) والكمية الإجمالية للمادة (عدد الجزيئات).

من الممكن أن يكون لكائنان نفس إجمالي الطاقة الداخلية مع اختلاف درجات الحرارة تمامًا. على سبيل المثال ، سيكون للجسم الأكثر برودة متوسط ​​طاقة حركية أقل لكل جزيء ، ولكن إذا كان العدد الجزيئات كبيرة ، ثم لا يزال من الممكن أن ينتهي بها الأمر بنفس الطاقة الداخلية الكلية لجسم أكثر دفئًا مع عدد أقل الجزيئات.

والنتيجة المدهشة لهذه العلاقة بين الطاقة الداخلية الكلية ودرجة الحرارة هي حقيقة أنها كبيرة يمكن أن ينتهي المطاف بكتلة من الجليد بطاقة أكثر من رأس عود ثقاب مضاء ، على الرغم من أن رأس عود الثقاب ساخن جدًا ، إلا أنه يعمل إطلاق النار!

هناك ثلاث طرق رئيسية تنتقل بها الطاقة الحرارية من جسم إلى آخر. هم التوصيل والحمل والإشعاع.

​التوصيليحدث عندما تنتقل الطاقة مباشرة بين مادتين في اتصال حراري مع بعضهما البعض. هذا هو نوع النقل الذي يحدث في تشبيه الكرة المطاطية الموصوف سابقًا في هذه المقالة. عندما يكون جسمان على اتصال مباشر ، يتم نقل الطاقة عن طريق التصادم بين جزيئاتهما. تشق هذه الطاقة طريقها ببطء من نقطة التلامس إلى باقي الجسم الأكثر برودة في البداية حتى يتحقق التوازن الحراري.

ومع ذلك ، لا تقوم كل الأشياء أو المواد بتوصيل الطاقة بهذه الطريقة بشكل جيد. يمكن لبعض المواد ، التي تسمى الموصلات الحرارية الجيدة ، نقل الطاقة الحرارية بسهولة أكبر من المواد الأخرى ، والتي تسمى العوازل الحرارية الجيدة.

من المحتمل أن تكون لديك خبرة في استخدام مثل هذه الموصلات والعوازل في حياتك اليومية. في صباح شتوي بارد ، كيف يقارن المشي حافي القدمين على أرضية من البلاط مع المشي حافي القدمين على السجادة؟ ربما يبدو أن السجادة أكثر دفئًا إلى حد ما ، ولكن هذا ليس هو الحال. من المحتمل أن يكون كلا الطابقين بنفس درجة الحرارة ، لكن البلاط هو موصل حراري أفضل بكثير. وبسبب هذا ، فإنه يتسبب في خروج الطاقة الحرارية من جسمك بسرعة أكبر.

​الحملهو شكل من أشكال نقل الحرارة يحدث في الغازات أو السوائل. الغازات ، وبدرجة أقل ، السوائل ، تشهد تغيرات في كثافتها مع درجة الحرارة. عادة ما تكون أكثر دفئًا ، وكلما كانت أقل كثافة. لهذا السبب ، ولأن الجزيئات في الغازات والسوائل حرة في الحركة ، إذا أصبح الجزء السفلي دافئًا ، فسيتمدد وبالتالي يرتفع إلى الأعلى بسبب انخفاض كثافته.

إذا وضعت قدرًا من الماء على الموقد ، على سبيل المثال ، فإن الماء الموجود في قاع المقلاة يسخن ويتسع ويرتفع إلى الأعلى مع غرق الماء البارد. ثم يسخن الماء البارد ويتمدد ثم يرتفع وما إلى ذلك ، مما يؤدي إلى تيارات الحمل التي تتسبب في انتشار الطاقة الحرارية عبر النظام عن طريق الخلط من الجزيئات داخل النظام (على عكس الجزيئات جميعها تبقى في نفس المكان تقريبًا حيث تهتز ذهابًا وإيابًا ، وترتد في كل منها آخر.)

الحمل الحراري هو السبب في أن السخانات تعمل بشكل أفضل لتدفئة المنزل إذا تم وضعها بالقرب من الأرض. وضع سخان بالقرب من السقف من شأنه أن يسخن الهواء بالقرب من السقف ، لكن هذا الهواء سيبقى في مكانه.

الشكل الثالث لنقل الحرارة هوإشعاع. الإشعاع هو نقل الطاقة عبر الموجات الكهرومغناطيسية. يمكن للأجسام الدافئة أن تعطي طاقة على شكل إشعاع كهرومغناطيسي. هذه هي الطريقة التي تصل بها الطاقة الحرارية من الشمس إلى الأرض ، على سبيل المثال. بمجرد أن يتلامس هذا الإشعاع مع جسم آخر ، يمكن للذرات الموجودة في هذا الجسم أن تكتسب الطاقة عن طريق امتصاصها.

ستخضع مادتان مختلفتان من نفس الكتلة لتغيرات مختلفة في درجات الحرارة على الرغم من وجود نفس إجمالي الطاقة المضافة بسبب الاختلافات في الكمية المسماةالسعة الحرارية محددة. السعة الحرارية النوعية تعتمد على المادة المعنية. ستبحث عادةً عن قيمة السعة الحرارية المحددة للمادة في جدول.

بشكل أكثر رسمية ، يتم تعريف السعة الحرارية المحددة على أنها مقدار الطاقة الحرارية التي يجب إضافتها لكل وحدة كتلة من أجل رفع درجة الحرارة بمقدار درجة مئوية. وحدات SI لسعة حرارية محددة ، يُشار إليها عادةً بـج، هي J / kgK.

فكر في الأمر على النحو التالي: لنفترض أن لديك مادتين مختلفتين تزنان نفس الوزن تمامًا وفي نفس درجة الحرارة تمامًا. تحتوي المادة الأولى على سعة حرارية عالية النوعية ، أما المادة الثانية فهي ذات سعة حرارية منخفضة. لنفترض الآن أنك تضيف نفس القدر من الطاقة الحرارية لكليهما. المادة الأولى - المادة ذات السعة الحرارية الأعلى - لن ترتفع في درجة الحرارة مثل المادة الثانية.

هناك العديد من العوامل التي تؤثر على كيفية تغير درجة حرارة مادة ما عند نقل كمية معينة من الطاقة الحرارية إليها. تتضمن هذه العوامل كتلة المادة (الكتلة الأصغر ستخضع لتغير أكبر في درجة الحرارة لكمية معينة من الحرارة المضافة) والسعة الحرارية المحددةج​.

إذا كان هناك مصدر للحرارة يزود الطاقةص، ثم يعتمد إجمالي الحرارة المضافة علىصو الوقتر. هذا هو ، الطاقة الحراريةسسوف يساويص​ × ​ر​.

معدل تغير درجة الحرارة عامل آخر مثير للاهتمام يجب مراعاته. هل تغير الأجسام درجة حرارتها بمعدل ثابت؟ اتضح أن معدل التغيير يعتمد على اختلاف درجة الحرارة بين الجسم ومحيطه. يصف قانون نيوتن للتبريد هذا التغيير. كلما اقترب الجسم من درجة الحرارة المحيطة ، كلما كان التوازن أبطأ.

الصيغة التي تربط التغير في درجة الحرارة بكتلة الجسم ، السعة الحرارية المحددة والطاقة الحرارية المضافة أو المزالة هي كما يلي:

لا تنطبق هذه الصيغة إلا إذا كانت المادة لا تخضع لتغيير طوري. عندما تتغير مادة من مادة صلبة إلى سائلة أو تتحول من سائل إلى غاز ، يتم وضع الحرارة المضافة إليها لاستخدام التسبب في تغيير هذه المرحلة ولن يؤدي إلى تغيير درجة الحرارة حتى يتم تغيير المرحلة اكتمال.

كمية تسمى الحرارة الكامنة للانصهارإل_F، يصف مقدار الطاقة الحرارية لكل وحدة كتلة مطلوبة لتغيير مادة من مادة صلبة إلى سائلة. تمامًا كما هو الحال مع السعة الحرارية المحددة ، تعتمد قيمتها على الخصائص الفيزيائية للمادة المعنية وغالبًا ما يتم البحث عنها في الجداول. المعادلة التي تتعلق بالطاقة الحراريةسإلى كتلة المادةموالحرارة الكامنة للانصهار هي:

يحدث الشيء نفسه عند التحول من السائل إلى الغاز. في مثل هذه الحالة ، يتم الإشارة إلى كمية تسمى الحرارة الكامنة للتبخرإل_الخامس، يصف مقدار الطاقة لكل وحدة كتلة يجب إضافتها لإحداث تغيير الطور. المعادلة الناتجة متطابقة باستثناء الرمز المنخفض:

الطاقة الداخليةههو إجمالي الطاقة الحركية الداخلية ، أو الطاقة الحرارية ، في مادة ما. بافتراض وجود غاز مثالي حيث تكون أي طاقة كامنة بين الجزيئات ضئيلة ، يتم الحصول عليها من خلال الصيغة:

أيننهو عدد الشامات ،تيهي درجة الحرارة بالكلفن وثابت الغاز العامر= 8.3145 جول / مول ك. تصبح الطاقة الداخلية 0 J عند المطلق 0 K.

في الديناميكا الحرارية ، ترتبط العلاقة بين التغيرات في الطاقة الداخلية ونقل الحرارة والعمل المنجز على أو بواسطة نظام ما عبر:

تُعرف هذه العلاقة بالقانون الأول للديناميكا الحرارية. في جوهرها هو بيان الحفاظ على الطاقة.