نقدم لكم بحثا عن الحرارة، إذ تشكل الحرارة جزءا كبيرا من حياتنا وتؤثر بشكل كبير على أنشطتنا. نحتاج إلى استخدام الحرارة في مختلف الدرجات في معظم الحالات، مثل الطهي والاستحمام واستخدام المكيفات الباردة والساخنة في معظم الأوقات خلال العام. تختلف مفاهيم الحرارة حسب الفهم، وفي هذا المقال سنوضح مفهوم الحرارة وبعض المعلومات المهمة عنها في موسوعة.
بحث عن الحرارة وطرق انتقالها
تعريف الحرارة في العلوم
الحرارة هي شكل من أشكال الطاقة التي تنتقل بين مادتين ذات درجات حرارة مختلفة
تدفق الطاقة يتجه من المادة ذات درجة حرارة عالية إلى المادة ذات درجة حرارة منخفضة
يتم قياس الحرارة بوحدات الطاقة، وعادة ما تكون السعرات الحرارية، أو الجول
عادة ما يتم استخدام مفهوم الحرارة ودرجة الحرارة بشكل متبادل، ولكن هذا ليس صحيحا؛ فدرجة الحرارة هي مقياس للحرارة أو البرودة في المادة، وبشكل آخر، تعتبر درجة الحرارة متوسط الطاقة الحركية لكل جزيء في المادة
تقاس درجة الحرارة بالدرجات على مقياس الحرارة المئوية (C)، أو الفهرنهايت (F)، أو الكلفن (K)
باختصار، درجة الحرارة هي حرارة جسم معين، أو حرارة جسم ما، بينما الحرارة هي الطاقة التي تتحرك من جسم أكثر حرارة إلى جسم أكثر برودة؛ على سبيل المثال: عندما تلمس فنجان القهوة، قد تشعر بالحرارة، وعندما يكون الجو حارا، فذلك بسبب انتقال الحرارة من القهوة إلى الكوب
التمدد الحراري
الديناميكا الحرارية
علم الديناميكا الحرارية يدرس الحرارة وتحويلها إلى طاقة ميكانيكية. هناك أربع قوانين للديناميكا الحرارية، ولكننا سنركز فقط على القوانين الرئيسية، وهما القانون الأول والقانون الثاني.
القانون الأول
يتم تعبير القانون الأول عن زيادة الطاقة الداخلية للمادة بالعمل الذي يتم عليها بالإضافة إلى الحرارة المنتقلة إليها، وتستخدم رياضيا المعادلة:
دلتا U = العمل + Q.
الطاقة الداخلية هي مجموع الطاقة الحركية والطاقة المحتملة لجميع الذرات والجزيئات داخل المادة.
تكمن أهمية القانون الأول للديناميكا الحرارية في وجود طريقتين لزيادة درجة حرارة المادة، وهما:
- من خلال تعريضها لمادة أخرى ذات درجة حرارة أعلى.
- بالقيام بأنواع معينة من العمل على المادة.
يمثل احتكاك وضغط الغازات مثاليين لزيادة درجة الحرارة من خلال طريقة العمل.
كما أن تفسير وجود المكابس في محركات الاحتراق الداخلي هو أن الهواء يتم ضغطه في اسطوانة عن طريق المكبس؛ وهذا يؤدي إلى زيادة درجة الحرارة بمقدار سبعة وعشرين ضعفا لدرجة الحرارة في الحالة غير المضغوطة.
القانون الثاني
ينص القانون الثاني على أنه لا يمكن نقل الحرارة من جسم بارد إلى جسم أكثر سخونة بدون تدخل خارجي.
بطريقة أخرى، لا يمكن إنشاء جهاز يستخرج الحرارة بشكل متكرر من مصدر واحد ويوفر الطاقة الميكانيكية دون إخراج بعض الحرارة إلى خزان بحرارة منخفضة، وأفضل مثال على ذلك هو محرك الحرارة.
طرق انتقال الحرارة
يحدث انتقال الحرارة عن طريق ثلاث آليات: التوصيل، الحمل الحراري، والإشعاع.
التوصيل
هو نقل الحرارة بين الذرات والجزيئات المتصلة مباشرة.
الحمل الحراري
هو عملية نقل الحرارة عن طريق تحرك المادة المسخنة ذاتها، مثل تدفقات في السائل.
الإشعاع
هو نقل الحرارة عن طريق الموجات الكهرومغناطيسية.
انتقال الحرارة في العمليات الكيميائية
من الضروري تصميم أنظمة نقل الحرارة للعمليات الكيميائية لزيادة الكفاءة.
نظرا لأن تنقل الحرارة في العديد من العمليات الكيميائية يتطلب استهلاكا كبيرا للطاقة، فإن عدم التركيز على الكفاءة يمكن أن يؤدي إلى زيادة التكاليف بدون سبب.
يعتبر نقل الحرارة من سائل إلى آخر أمرا أساسيا في جميع العمليات الكيميائية، سواء لتبريد المواد الكيميائية بعد تكوينها أثناء تفاعل طارد للحرارة، أو لتسخين المكونات قبل بدء التفاعل لإنتاج المنتج النهائي؛ ولذلك، تعد عملية المعالجة الحرارية أساسية في العمليات الكيميائية