ما هو قانون الطاقة الحرارية؟
يمكن تعريف الطاقة الحرارية (بالإنجليزية: Thermal energy) على أنّها طاقة يحصل عليها جسم أو نظام ما نتيجة حركة جزيئاته، وتمثل الطاقة الحرارية قدرة الشيء على العمل نتيجة حركة جزيئاته، وبما أنها ناتجة عن حركة الجزيئات يمكن تصنيفها كنوع من أنواع الطاقة الحركية (kinetic energy)، وتؤدي الطاقة الحراريّة إلى رفع درجة الحرارة الداخلية للجسم، وتقاس هذه الحرارة بوحدات الدرجة المئوية أو الفهرنهايت، ويُشار إلى أنّه كلما ازدادت سرعة حركة الجزيئات ازدادت درجة الحرارة المُسجلّة.
تعد الحرارة شكل من أشكال الطاقة حسب ما نص عليه قانون الديناميكا الحراري الأول، وبالتالي فهي تخضع لمبادئ الديناميكا الحراريّة وأبرزها مبدأ حفظ الطاقة؛ أي أنه لا يمكن إنشاء أو تدمير الطاقة الحرارية لكن يمكن نقلها وتحويلها من شكل إلى آخر، أي أن الديناميكا الحرارية تصف طريقة تحويل الطاقة الحرارية من شكل إلى آخر ومدى تأثيرها على الأجسام، ومن المبادئ التي ينص عليها القانون الأول للديناميكا؛ أن الطاقة الداخلية لجسم أو نظام ما يجب أن تساوي الشغل المبذول على النظام بإضافة أو طرح الحرارة المتدفقة داخل أو خارج النظام.
الصيغة الرياضية لقانون الطاقة الحرارية
تتناسب الطاقة الحرارية طرديًا مع كتلة الجسم والحرارة النوعية والفرق في درجة الحرارة، وتُقاس الطاقة بوحدة الجول، وفيما يلي العلاقة المستخدمة في حساب الطاقة الحرارية:
الطاقة الحرارية = كتلة الجسم × الحرارة النوعية × التغير في درجة الحرارة.
وبالرموز العربية:
ط ح= ك × ح ن × Δ د
وبالرموز الإنجليزية:
Q = M × C × ΔT
حيثُ يمثل:
- Q أو ط ح: الطاقة الحرارية، بوحدة الجول.
- M أو ك: كتلة الجسم أو المادة، بوحدة كغ.
- C أو ح ن: عامل الحرارة النوعية، بوحدة (جول/ كغ. س°).
- ΔT أو Δ د: التغير في درجة الحرارة، بوحدة السيلسيوس (س°).
تطبيقات حياتية على قانون الطاقة الحرارية
يُدرج فيما يلي أبرز التطبيقات على قانون الطاقة الحرارية في حياتنا:
- الطاقة الشمسية: (بالإنجليزية: Solar energy) تعد إحدى أشكال الطاقة الحرارية والتي من خلالها يُسخن الغلاف الجوي وتكون الحرارة ملموسة على الأرض.
- الطاقة الحرارية الأرضية: (بالإنجليزية: Geothermal Energy) تمثل الحرارة التابعة من باطن الأرض والتي تتولد نتيجة تحلل العناصر المشعة في الصخور الباطنية.
- الطاقة الحرارية من المحيطات: (بالإنجليزية: Heat Energy From the Oceans) تمثل الطاقة الحرارية المختزنة في المسطحات المائية نتيجة تعرضها لأشعّة الشمس المباشرة.
- طاقة خلايا الوقود: (بالإنجليزية: Fuel Cell Energy) تتولد الطاقة الحرارية في هذا النوع من خلال استخدام خلايا الوقود أثناء عملية التفاعل الكيميائيّ بين أقطابها.
تدريبات على قانون الطاقة الحرارية
يدرج فيما يلي مجموعة من التدريبات المتعلقة بقانون الطاقة الحرارية:
مثال 1: ما مقدار الطاقة الحرارية لجسم كتلته 4 كغ، وحرارته النوعية 0.020 جول/ كغ. س°، ومعدل التغير الحراري 10 س°؟
الحل:
- بتطبيق الصيغة الرياضية: ط ح= ك × ح ن × Δ د.
- تعويض القيم المعطاة وحسابها مباشرةً: ط ح= 4×.020×10 =0.8
- الطاقة الحرارية = 0.8 جول.
مثال 2: ما مقدار الطاقة الحرارية المختزنة في صندوق من الألومنيوم كتلته 6 كغ ويمتلك حرارة نوعية تبلغ 895 جول/ كغ. س°ويصل الفرق في درجة الحرارة 5° سيلسيوس؟
الحل:
- تطبيق الصيغة الرياضية لحساب الطاقة الحرارية: Q= M × C × ΔT.
- تعويض القيم المعطاة وحسابها مباشرةً: Q= 6 × 895 × 5= 26,850
- الطاقة الحرارية = 26,850 جول.
مثال 3: ما مقدار الطاقة الحرارية التي يكتسبها أنبوب نحاسي بعد مرور المياه الساخنة من خلاله في حال كانت كتلته 2.3 كغ، وعامل الحرارة النوعية للنحاس 385 جول/ كغ. س°، وذلك عندما ترتفع درجة حرارته من 20°س إلى 80°س؟
الحل:
- إيجاد الفرق في درجة الحرارة Δ د =80 - 20=60°
- تطبيق الصيغة الرياضية للطاقة الحرارية: ط ح= ك × ح ن × Δ د.
- تعويض القيم المعطاة وحسابها مباشرةً: ط ح= 2.3 × 385 × 60 = 5,3130
- الطاقة الحرارية = 5,3130 جول.
تعد الطاقة الحرارية شكل من أشكال الطاقة المختلفة، والتي تنتج من حركة جزيئات الجسم أو النظام، ويُمكن حساب هذه الطاقة باستخدام الصيغة الرياضية التالية: ط ح= ك × ح ن × Δ د، وتُقاس الطاقة الحرارية بوحدة الجول، وتظهر في العديد من جوانب حياتنا أبرزها؛ أشعة الشمس، وحرارة باطن الأرض، والحرارة المختزنة في المسطحات المائية كالمحيطات.
