الطاقة الحرارية – قياسها طرق انتقالها ومصادرها

توجد الطاقة الحرارية حولنا في كل مكانٍ من البراكين إلى الجبال الجليدية حتى في أجسامنا كبشر، فكل شيءٍ يحتوي على طاقةٍ حراريةٍ.

تعتبر الطاقة الحرارية نتيجة لحركة الذرات أو الجزيئات أو الأيونات في المواد الصلبة والسوائل والغازات، ويمكن نقل الطاقة الحرارية من جسمٍ إلى آخر. يسمى النقل أو التدفق الناتج عن اختلاف درجة الحرارة بين هذين الجسمين بالحرارة.

يحتوي مكعب الثلج على سبيل المثال على طاقةٍ حراريةٍ وكذلك كوب من عصير الليمون، فإذا ما قمت بوضع قطعة الجليد في عصير الليمون، فإن عصير الليمون (وهو الأكثر دفئًا) سينقل بعضًا من طاقته الحراريه إلى الجليد أي بعبارةٍ أخرى سوف يسخن الجليد، وفي نهاية المطاف سوف يذوب الجليد وتكون درجة حرارة عصير الليمون والمياه من الجليد نفسها، ويعرف هذا الأمر بالوصول إلى حالةٍ من التوازن الحراري.

هناك ثلاث طرقٍ أساسيةٍ لنقل الحرارة

يتم تسخين العديد من المنازل من خلال عملية الحمل الحراري: التي تنقل الحرارة عبر الغازات أو السوائل. عندما يتم تسخين الهواء في المنزل تكتسب الجزيئات الطاقة الحرارية مما يسمح لها بالتحرك بشكلٍ أسرع، مما يؤدي إلى تسخين الجزيئات الأكثر برودةٍ.

وبما أن الهواء الساخن أقل كثافة من الهواء البارد فإن الهواء الساخن سيرتفع، وعند هبوط الهواء البارد سيتم سحبه إلى أنظمة التدفئة الخاصة بالمنزل والتي ستسمح مرةً أخرى للجزيئات الأسرع بتسخين الهواء. تعتبر هذه العملية تدفق دائري للهواء ويسمى بتيار الحمل الحراري.

التوصيل: هي نقل الحرارة من مادةٍ صلبةٍ إلى أخرى وبالتحديد عن طريق تلامس هاتين المادتين. يمكننا أن نرى مثال على ذلك عندما طبخ الطعام على الموقد. عندما نضع المقلاة الباردة على الموقد الساخن، يتم نقل الحرارة من الموقد إلى المقلاة، وهذا بدوره يؤدي إلى ارتفاع درجة حرارة المقلاة.

الإشعاع: هو عملية تنتقل فيها الحرارة عبر الأماكن التي لا توجد فيها الجزيئات، وهي في الواقع شكلٌ من أشكال الطاقة الكهرومغناطيسية. أي جسمٍ يمكنك أن تشعر بحرارته دون اتصالٍ مباشرٍ معه يكون جسم مشع للطاقة. يمكنك أن ترى هذا في حرارة الشمس أو الحرارة التي تشع من نار على بعد عدة أقدامٍ، وحتى الغرفة المليئة بالناس ستكون أكثر دفئًا بشكل طبيعي من الغرف الفارغة لأن جسم كل شخصٍ يشع حرارة.

يتم قياس جميع أشكال الطاقة بواحدة الجول، والجدير بالذكر أن الحرارة هي شكلٌ من أشكال الطاقة وبالتالي فإن وحدة الحرارة هي أيضًا الجول، والتي تُعرَّف بأنها كمية الطاقة اللازمة لرفع درجة حرارة كتلةٍ معينةٍ درجة واحدة فقط. عادةً ما يلزم 4.184 جول من الطاقة الحرارية لزيادة درجة حرارة 1 غرام من الماء من 0 درجة إلى 1 درجةٍ مئويةٍ.

يتم التعبير عن الحرارة أيضًا بواحدة السعرة الحرارية (الكالوري)، وتعرف بإنها الطاقة الحرارية اللازمة لزيادة درجة حرارة 1 جرام من المياه النظيفة بمقدار درجةٍ مئويةٍ واحدةٍ. يشار أيضًا في بعض الأحيان إلى الكيلو كلوري كوحدة حرارةٍ حيث 1 كيلو كالوري = 1000 كالوري.

يتم استخدام بالإضافة إلى ذلك الوحدة الحرارية البريطانية (BTU) التي تعد أيضًا جزءًا من النظام الإمبراطوري لقياس الحرارة أو حسابها.