بحث عن الطاقة الحرارية

مقدمة البحث

الحمد لله رب العالمين، والصلاة والسلام على نبينا محمد. أما بعد، فإن الطاقة موجودة في كل شيء حولنا: في ضوء الشمس ودفء النار وحركة الرياح وغذاء الإنسان. ومن أكثر أشكال الطاقة حضورًا في حياتنا اليومية الطاقة الحرارية، فنحن نطهو بها طعامنا ونتدفأ بها في الشتاء وتدير بها المحركات. وقد امتنّ الله على الإنسان بالنار والشمس، فقال سبحانه:

﴿الَّذِي جَعَلَ لَكُمْ مِنَ الشَّجَرِ الْأَخْضَرِ نَارًا فَإِذَا أَنْتُمْ مِنْهُ تُوقِدُونَ﴾ [يس: 80]

وفي هذا البحث نتعرف على الطاقة الحرارية وطرق انتقالها وقياسها وتطبيقاتها.

تعريف الموضوع

الطاقة الحرارية هي الطاقة المرتبطة بالحركة العشوائية للجسيمات المكوّنة للمادة من ذرات وجزيئات. فكلما زادت سرعة حركة هذه الجسيمات زادت الطاقة الحرارية للجسم. أما الحرارة فهي الطاقة الحرارية المنتقلة من جسم إلى آخر بسبب فرق درجة الحرارة بينهما، وتنتقل دائمًا من الجسم الأسخن إلى الأبرد.

أهمية الموضوع

تكمن أهمية دراسة الطاقة الحرارية في أنها تفسّر ظواهر كثيرة كالتبخر والانصهار وهبوب الرياح، وتدخل في تصميم المحركات والثلاجات والمكيفات ومحطات الكهرباء. كما أن فهمها يساعد على ترشيد استهلاك الطاقة وتقليل الهدر، وهو أمر مهم لبلادنا وللبيئة.

أهداف البحث

• التفريق بين الطاقة الحرارية والحرارة ودرجة الحرارة.
• التعرف على وحدات قياس الحرارة وأجهزتها.
• شرح طرق انتقال الحرارة مع أمثلة.
• فهم الحرارة النوعية وحل مسائل عليها.
• بيان مصادر الطاقة الحرارية وتطبيقاتها وطرق ترشيدها.

محاور البحث

أولًا: الحرارة ودرجة الحرارة

وتُقاس درجة الحرارة بالمحرار أو الثرمومتر. وتُحوَّل درجة السيلزيوس إلى الكلفن بإضافة العدد الثابت المعروف للتحويل بين المقياسين، وهو في الصيغة المختصرة المستعملة في كتب الثانوية:

T (K) = T (°C) + 273

ثانيًا: طرق انتقال الحرارة

• التوصيل: انتقال الحرارة عبر المواد الصلبة بتصادم الجسيمات المتجاورة دون أن تنتقل المادة نفسها. مثاله: سخونة ملعقة معدنية وُضعت في كوب شاي ساخن. والمعادن موصلات جيدة، والخشب والبلاستيك عوازل.
• الحمل: انتقال الحرارة في السوائل والغازات بحركة المائع نفسه، فالجزء الساخن يخف ويرتفع والبارد يهبط. مثاله: غليان الماء في الإناء، ونسيم البحر.
• الإشعاع: انتقال الحرارة بالموجات الكهرومغناطيسية، وهو لا يحتاج إلى وسط مادي. مثاله: وصول حرارة الشمس إلى الأرض عبر الفضاء، والدفء من النار التي نجلس أمامها.

ثالثًا: الحرارة النوعية

الحرارة النوعية لمادة ما هي كمية الحرارة اللازمة لرفع درجة حرارة كيلوجرام واحد منها درجة واحدة. وتختلف من مادة لأخرى، فللماء حرارة نوعية عالية، أي أنه يحتاج إلى كمية كبيرة من الحرارة ليسخن، ويحتفظ بها طويلًا، ولهذا تعتدل حرارة المناطق الساحلية. ويُحسب مقدار الحرارة المكتسبة أو المفقودة بالقانون:

Q = m × c × ΔT

حيث Q كمية الحرارة بالجول، وm الكتلة بالكيلوجرام، وc الحرارة النوعية، وΔT التغير في درجة الحرارة.

مثال محلول: كم كمية الحرارة اللازمة لرفع درجة حرارة كيلوجرامين من الماء من عشرين درجة سيلزيوس إلى سبعين درجة؟ علمًا أن الحرارة النوعية للماء تقارب أربعة آلاف ومئتين جول لكل كيلوجرام لكل درجة.

ΔT = 70 − 20 = 50 °C

Q = 2 × 4200 × 50 = 420000 J

فالحرارة اللازمة أربعمئة وعشرون ألف جول، أي أربعمئة وعشرون كيلوجولًا.

مثال آخر: سُخّنت قطعة من الحديد كتلتها نصف كيلوجرام فارتفعت درجة حرارتها بمقدار مئة درجة، فإذا كانت الحرارة النوعية للحديد تقارب أربعمئة وخمسين جولًا لكل كيلوجرام لكل درجة، فما الحرارة المكتسبة؟

Q = 0.5 × 450 × 100 = 22500 J

أي اثنان وعشرون ألفًا وخمسمئة جول. ونلاحظ أن الماء يحتاج إلى حرارة أكبر بكثير ليسخن بالقدر نفسه، ولذلك يُستعمل في أنظمة التبريد في المحركات.

رابعًا: الحرارة الكامنة وتغير الحالة

عند انصهار الجليد أو غليان الماء تمتص المادة حرارة دون أن ترتفع درجة حرارتها، لأن الطاقة تُستهلك في كسر الروابط بين الجسيمات لتغيير الحالة، وتسمى الحرارة الكامنة. فالتبخر والانصهار يمتصان حرارة، والتكاثف والتجمد يطلقانها. ولذلك نشعر بالبرودة عندما يتبخر العرق من الجلد.

ومن التطبيقات المألوفة لما سبق الثرموس، وهو وعاء يحفظ الشاي ساخنًا أو الماء باردًا، لأنه مصمم لتقليل انتقال الحرارة بالطرق الثلاث: فبين جداره الداخلي والخارجي فراغ يقلل التوصيل والحمل، وسطحه الداخلي لامع يعكس الإشعاع، وغطاؤه عازل يمنع تسرب الحرارة من الأعلى.

خامسًا: مصادر الطاقة الحرارية

• الشمس وهي المصدر الأعظم للطاقة على الأرض.
• احتراق الوقود كالنفط والغاز والفحم والحطب.
• باطن الأرض، وهي الطاقة الحرارية الأرضية كالينابيع الحارة.
• التفاعلات النووية في محطات الطاقة النووية.
• الاحتكاك والكهرباء، كحرارة المدفأة الكهربائية.

سادسًا: تطبيقات الطاقة الحرارية

• توليد الكهرباء بتسخين الماء وتحويله إلى بخار يدير التوربينات.
• محركات السيارات التي تحوّل حرارة احتراق الوقود إلى حركة.
• التدفئة والتبريد والتكييف وحفظ الأطعمة في الثلاجات.
• تحلية مياه البحر بالتبخير في محطات كبيرة بالمملكة.
• السخانات الشمسية التي تستفيد من أشعة الشمس مباشرة.

سابعًا: ترشيد استهلاك الطاقة الحرارية

• عزل الجدران والأسقف بمواد عازلة لتقليل ضياع الحرارة أو دخولها.
• ضبط المكيف على درجة معتدلة وإغلاق الأبواب والنوافذ.
• استعمال الأجهزة الموفرة للطاقة وصيانتها دوريًا.
• الاعتماد على الطاقة الشمسية حيثما أمكن.

وفي الإسلام النهي عن الإسراف في كل شيء، قال الله تعالى:

﴿يَا بَنِي آدَمَ خُذُوا زِينَتَكُمْ عِنْدَ كُلِّ مَسْجِدٍ وَكُلُوا وَاشْرَبُوا وَلَا تُسْرِفُوا ۚ إِنَّهُ لَا يُحِبُّ الْمُسْرِفِينَ﴾ [الأعراف: 31]

النتائج والتوصيات

• الطاقة الحرارية مرتبطة بحركة جسيمات المادة، والحرارة هي الطاقة المنتقلة بسبب فرق درجات الحرارة.
• تنتقل الحرارة بالتوصيل والحمل والإشعاع.
• يحسب مقدار الحرارة بالعلاقة Q = m × c × ΔT.
• يوصى بترشيد الاستهلاك والاعتماد على مصادر الطاقة المتجددة.

الخاتمة

تعرفنا في هذا البحث على الطاقة الحرارية ودرجة الحرارة وطرق انتقال الحرارة وحسابها ومصادرها وتطبيقاتها. وتبيّن أن هذه الطاقة نعمة ينبغي أن نحسن استعمالها دون إسراف. نسأل الله أن ينفعنا بالعلم وأن يوفقنا لشكر نعمه.

المراجع

• كتب الفيزياء والعلوم للمرحلتين المتوسطة والثانوية، وزارة التعليم في المملكة العربية السعودية.
• كتب الفيزياء العامة الجامعية، فصول الحرارة والديناميكا الحرارية.
• وزارة الطاقة في المملكة العربية السعودية، المواد التوعوية عن ترشيد الاستهلاك.

كلمات دليلية

بحث، بحث عن، بحث علمي، بحوث، الطاقة الحرارية