هل تساءلت يوما ما الذي يجعل شيئا ساخنا؟ قد تكون الإجابة أكثر بساطة مما تعتقد. تزداد درجة حرارة جسم ما عندما تتحرك الجزيئات التي تشكل ذلك الكائن بشكل أسرع.
الطاقة الحرارية هي طاقة يمتلكها كائن أو نظام بسبب حركة الجسيمات داخل الجسم أو النظام. الطاقة الحرارية هي واحدة من اشكال الطاقة المختلفة ، حيث يمكن تعريف “الطاقة” على أنها “القدرة على القيام بالعمل”. العمل هو حركة كائن بسبب قوة تطبيقية. النظام هو مجرد مجموعة من الكائنات داخل بعض الحدود. لذلك ، يمكن وصف الطاقة الحرارية بأنها قدرة شيء ما على القيام به بسبب حركة جزيئاته.
لأن الطاقة الحرارية ترجع إلى حركة الجسيمات ، فهي نوع من الطاقة الحركية ، وهي الطاقة الناتجة عن الحركة. ينتج عن الطاقة الحرارية وجود درجة حرارة داخلية ، ويمكن قياس درجة الحرارة هذه – على سبيل المثال ، في درجة مئوية أو فهرنهايت على مقياس حرارة. كلما تحركت الجزيئات داخل جسم أو نظام بشكل أسرع ، ارتفعت درجة الحرارة المسجلة.
تطبيقات الطاقة الحرارية
دعونا نلقي نظرة على مثال بسيط للطاقة الحرارية. يحتوي العنصر المسخن على الموقد على طاقة حرارية ، وكلما زاد تشغيل الموقد ، زادت الطاقة الداخلية التي يحتوي عليها الموقد. على المستوى الأساسي للغاية ، فإن هذه الطاقة الحرارية هي حركة الجزيئات التي تشكل المعدن الخاص بعنصر الموقد. أعلم أنك لا تستطيع رؤية الجزيئات تتحرك ، لكنها كذلك. كلما كانت الجزيئات أسرع ، زادت الطاقة الحرارية الداخلية التي تحتويها.
الآن ، دعونا نضع وعاءًا من الماء أعلى العنصر الساخن. ماذا حدث؟ يعمل الموقد ، أليس كذلك؟ حسنًا ، ليس كما نعتقد عادةً. هنا ، يشير مصطلح “العمل” إلى “حركة شيء ما عند تطبيق القوة”. على وجه التحديد ، تسبب الطاقة الحرارية للموقد جزيئات الوعاء وفي النهاية يتحرك الماء بشكل أسرع. يتم نقل الطاقة الداخلية للعنصر المسخن إلى الوعاء وفي النهاية الماء داخل الوعاء. يشار إلى هذا النقل للطاقة الحرارية من الموقد إلى الوعاء وإلى الماء بالحرارة.
من المهم جدًا الحفاظ على هذه الشروط مستقيمة. في هذا السياق ، الحرارة هي المصطلح الذي نستخدمه للإشارة بشكل خاص إلى نقل الطاقة الحرارية من كائن أو نظام إلى آخر ، حيث أن النقل هو المفتاح. الطاقة الحرارية هي الطاقة الموجودة داخل الجسم أو داخل النظام بسبب حركة الجزيئات. إنها مختلفة – الحرارة والطاقة الحرارية.
يمكنك أن تشعر بالحرارة إذا أمسك يدك فوق الموقد. تقوم الحرارة بدورها بتسريع الجزيئات داخل الوعاء والماء. إذا وضعت مقياس حرارة في الماء ، مع ارتفاع حرارة الماء ، يمكنك مشاهدة ارتفاع درجة الحرارة. مرة أخرى ، ستؤدي الزيادة في الطاقة الداخلية إلى زيادة في درجة الحرارة.
الطاقة الحرارية من الاحتكاك
تأمل مثال الرجل الذي يدفع الصندوق عبر أرضية خشنة بسرعة ثابتة. نظرًا لأن قوة الاحتكاك غير محافظة ، فإن العمل المنجز لا يتم تخزينه كطاقة محتملة. كل العمل الذي تقوم به قوة الاحتكاك ينتج عنه نقل الطاقة إلى طاقة حرارية لنظام صندوق الأرضية. تتدفق هذه الطاقة الحرارية كحرارة داخل الصندوق والأرضية ، مما يؤدي في النهاية إلى رفع درجة حرارة كل من هذه الأشياء .
الطاقة الحرارية في الصناعة
تركز مجموعة الأبحاث حول الطاقة الحرارية في الصناعة (TEI) التابعة لقسم ميكانيكا التدفق والحرارة والاحتراق بجامعة غنت على أنظمة الطاقة الحرارية الصناعية مثل دورات رانكين العضوية ومضخات الحرارة الصناعية والحرارة مجتمعة والطاقة وتخزين الطاقة الحرارية وشبكات التدفئة . تعد استعادة الحرارة المهدورة وكفاءة الطاقة الصناعية من التحديات الرئيسية.
الموضوعات البحثية الرئيسية
كفاءة الطاقة للأنظمة الحرارية في الصناعة ، واستعادة حرارة النفايات.
(العضوية) تكنولوجيا دورة Rankine ، مضخات الحرارة الصناعية ، مجتمعة الحرارة والطاقة ، تخزين الحرارة.
الضاغط الحجمي وتصميم المتوسع.
تكامل العملية وطرق التحسين.
شبكات الحرارة والتدفئة المركزية.
تتم دراسة هذه المواضيع في نهج تجريبي وعددي مشترك ، وغالبًا ما يتم ذلك بالتعاون مع مجموعات بحثية أخرى في الجامعة.
طاقة الحرارية ودرجة الحرارة
تتناسب الطاقة الحرارية مباشرة مع درجة الحرارة داخل نظام معين (تذكر أن النظام هو موضع الاهتمام بينما تقع المناطق المحيطة خارج النظامين ويتفاعل الاثنان عبر الطاقة وتبادل المواد). كنتيجة لهذه العلاقة بين الحرارة الطاقة ودرجة حرارة النظام ، ينطبق ما يلي: كلما زادت الجزيئات ، زادت حركة الجزيئات داخل نظام معين ، كلما زادت درجة الحرارة وزادت الطاقة الحرارية
+ الجزيئات = + الحركة = + درجة الحرارة = + الطاقة الحرارية
كما هو موضح سابقًا ، تعتمد الطاقة الحرارية لنظام ما على درجة حرارة النظام الذي يعتمد على حركة جزيئات النظام. نتيجة لذلك ، كلما زادت الجزيئات الموجودة ، زادت كمية الحركة داخل نظام معين مما أدى إلى ارتفاع درجة الحرارة والطاقة الحرارية. لهذا السبب ، عند درجة حرارة 0 درجة مئوية ، تكون الطاقة الحرارية داخل نظام معين صفرًا أيضًا. هذا يعني أن عينة صغيرة نسبياً في درجة حرارة مرتفعة إلى حد ما مثل فنجان من الشاي في درجة حرارة الغليان لديها طاقة حرارية أقل من عينة أكبر مثل حمام سباحة في درجة حرارة منخفضة. إذا تم وضع كوب الشاي المغلي بجوار حمام التجميد ، فإن كوب الشاي سوف يتجمد أولاً لأنه يحتوي على طاقة حرارية أقل من حمام السباحة.
للحفاظ على تعريفات مباشرة
درجة الحرارة: درجة الحرارة هي متوسط الطاقة الحركية داخل كائن معين ويقاس بثلاثة مقاييس للقياس (فهرنهايت ، مئوية ، كلفن)
الطاقة الحرارية: تُعرَّف الطاقة الحرارية بأنها مجموع الطاقات الحركية ضمن نظام معين.
الحرارة: من المهم أن نتذكر أن الحرارة ناتجة عن تدفق الطاقة الحرارية بسبب الاختلافات في درجة الحرارة (الحرارة تتدفق من كائن في درجة حرارة أعلى إلى كائن في درجة حرارة منخفضة) ، يتم نقلها من خلال التوصيل / الحمل الحراري / الإشعاع. بالإضافة إلى ذلك ، تتدفق الطاقة الحرارية دائمًا من المناطق الأكثر دفئًا إلى المناطق الأكثر برودة.
الطاقة الحرارية وحالة المواد
توجد المادة في ثلاث حالات: صلبة أو سائلة أو غازية. عندما تخضع قطعة معينة لتغيير الحالة ، تتم إضافة الطاقة الحرارية أو إزالتها ولكن تظل درجة الحرارة ثابتة. عندما يتم إذابة مادة صلبة ، على سبيل المثال ، تكون الطاقة الحرارية هي السبب في تحطيم الروابط داخل المادة الصلبة.
الحرارة لنقل الطاقة الحرارية
يمكن إعطاء الحرارة في ثلاث عمليات مختلفة: التوصيل ، الحمل الحراري ، أو الإشعاع. يحدث التوصيل عندما يتم نقل الطاقة الحرارية من خلال تفاعل المواد الصلبة. تحدث هذه العملية غالبًا عند الطهي: غليان الماء في مقلاة معدنية يؤدي إلى تسخين المقلاة المعدنية أيضًا.
يحدث الحمل الحراري عادة في الغازات أو السوائل (بينما يحدث التوصيل في الغالب في المواد الصلبة) حيث يعتمد نقل الطاقة الحرارية على الاختلافات في الحرارة. باستخدام مثال وعاء الماء المغلي ، يحدث الحمل الحراري مع ارتفاع الفقاعات إلى السطح ، وبذلك تنقل الحرارة من الأسفل إلى الأعلى. الإشعاع هو نقل الطاقة الحرارية عبر الفضاء وهو مسؤول عن أشعة الشمس التي تغذي الأرض.
الطاقة الحرارية هي مفهوم قابل للتطبيق في الحياة اليومية. على سبيل المثال ، تعمل المحركات ، مثل تلك الموجودة في السيارات أو القطارات ، عن طريق تحويل الطاقة الحرارية إلى طاقة ميكانيكية. أيضًا ، تزيل الثلاجات الطاقة الحرارية من منطقة باردة إلى منطقة دافئة.
على نطاق أوسع ، تهدف الأبحاث العلمية الحديثة إلى تحويل الطاقة الشمسية إلى طاقة حرارية من أجل توليد الكهرباء والطاقة. على سبيل المثال ، تستكشف مراكز البحث العلمي مثل ناسا استخدامات وتطبيقات الطاقة الحرارية لتوفير إنتاج أكثر كفاءة للطاقة. في عام 1990 ، على سبيل المثال ، بحثت ناسا على نطاق واسع واستكشفت إمكانات نظام الطاقة الهجين الذي استخدم أجهزة تخزين الطاقة الحرارية (TES).
سيحول نظام الطاقة هذا الطاقة الشمسية إلى طاقة حرارية تستخدم بعد ذلك لإنتاج الطاقة الكهربائية والحرارة. ومع ذلك ، فقد تبين أن تحويل الطاقة الشمسية إلى طاقة حرارية أسهل بكثير وأكثر جدوى عندما لا تكون النظم في حالة توازن ديناميكي حراري. بدلاً من ذلك ، اقترح العلماء ، أن الجسم المتحرك أو السائل الجاري يمكن أن يسمح بتحويل الطاقة إلى طاقة حرارية.
الطاقة الحرارية هي طاقة يمتلكها كائن أو نظام بسبب حركة الجسيمات داخل الجسم أو النظام. الطاقة الحرارية هي واحدة من اشكال الطاقة المختلفة ، حيث يمكن تعريف “الطاقة” على أنها “القدرة على القيام بالعمل”. العمل هو حركة كائن بسبب قوة تطبيقية. النظام هو مجرد مجموعة من الكائنات داخل بعض الحدود. لذلك ، يمكن وصف الطاقة الحرارية بأنها قدرة شيء ما على القيام به بسبب حركة جزيئاته.
لأن الطاقة الحرارية ترجع إلى حركة الجسيمات ، فهي نوع من الطاقة الحركية ، وهي الطاقة الناتجة عن الحركة. ينتج عن الطاقة الحرارية وجود درجة حرارة داخلية ، ويمكن قياس درجة الحرارة هذه – على سبيل المثال ، في درجة مئوية أو فهرنهايت على مقياس حرارة. كلما تحركت الجزيئات داخل جسم أو نظام بشكل أسرع ، ارتفعت درجة الحرارة المسجلة.
تطبيقات الطاقة الحرارية
دعونا نلقي نظرة على مثال بسيط للطاقة الحرارية. يحتوي العنصر المسخن على الموقد على طاقة حرارية ، وكلما زاد تشغيل الموقد ، زادت الطاقة الداخلية التي يحتوي عليها الموقد. على المستوى الأساسي للغاية ، فإن هذه الطاقة الحرارية هي حركة الجزيئات التي تشكل المعدن الخاص بعنصر الموقد. أعلم أنك لا تستطيع رؤية الجزيئات تتحرك ، لكنها كذلك. كلما كانت الجزيئات أسرع ، زادت الطاقة الحرارية الداخلية التي تحتويها.
الآن ، دعونا نضع وعاءًا من الماء أعلى العنصر الساخن. ماذا حدث؟ يعمل الموقد ، أليس كذلك؟ حسنًا ، ليس كما نعتقد عادةً. هنا ، يشير مصطلح “العمل” إلى “حركة شيء ما عند تطبيق القوة”. على وجه التحديد ، تسبب الطاقة الحرارية للموقد جزيئات الوعاء وفي النهاية يتحرك الماء بشكل أسرع. يتم نقل الطاقة الداخلية للعنصر المسخن إلى الوعاء وفي النهاية الماء داخل الوعاء. يشار إلى هذا النقل للطاقة الحرارية من الموقد إلى الوعاء وإلى الماء بالحرارة.
من المهم جدًا الحفاظ على هذه الشروط مستقيمة. في هذا السياق ، الحرارة هي المصطلح الذي نستخدمه للإشارة بشكل خاص إلى نقل الطاقة الحرارية من كائن أو نظام إلى آخر ، حيث أن النقل هو المفتاح. الطاقة الحرارية هي الطاقة الموجودة داخل الجسم أو داخل النظام بسبب حركة الجزيئات. إنها مختلفة – الحرارة والطاقة الحرارية.
يمكنك أن تشعر بالحرارة إذا أمسك يدك فوق الموقد. تقوم الحرارة بدورها بتسريع الجزيئات داخل الوعاء والماء. إذا وضعت مقياس حرارة في الماء ، مع ارتفاع حرارة الماء ، يمكنك مشاهدة ارتفاع درجة الحرارة. مرة أخرى ، ستؤدي الزيادة في الطاقة الداخلية إلى زيادة في درجة الحرارة.
الطاقة الحرارية من الاحتكاك
تأمل مثال الرجل الذي يدفع الصندوق عبر أرضية خشنة بسرعة ثابتة. نظرًا لأن قوة الاحتكاك غير محافظة ، فإن العمل المنجز لا يتم تخزينه كطاقة محتملة. كل العمل الذي تقوم به قوة الاحتكاك ينتج عنه نقل الطاقة إلى طاقة حرارية لنظام صندوق الأرضية. تتدفق هذه الطاقة الحرارية كحرارة داخل الصندوق والأرضية ، مما يؤدي في النهاية إلى رفع درجة حرارة كل من هذه الأشياء .
الطاقة الحرارية في الصناعة
تركز مجموعة الأبحاث حول الطاقة الحرارية في الصناعة (TEI) التابعة لقسم ميكانيكا التدفق والحرارة والاحتراق بجامعة غنت على أنظمة الطاقة الحرارية الصناعية مثل دورات رانكين العضوية ومضخات الحرارة الصناعية والحرارة مجتمعة والطاقة وتخزين الطاقة الحرارية وشبكات التدفئة . تعد استعادة الحرارة المهدورة وكفاءة الطاقة الصناعية من التحديات الرئيسية.
الموضوعات البحثية الرئيسية
كفاءة الطاقة للأنظمة الحرارية في الصناعة ، واستعادة حرارة النفايات.
(العضوية) تكنولوجيا دورة Rankine ، مضخات الحرارة الصناعية ، مجتمعة الحرارة والطاقة ، تخزين الحرارة.
الضاغط الحجمي وتصميم المتوسع.
تكامل العملية وطرق التحسين.
شبكات الحرارة والتدفئة المركزية.
تتم دراسة هذه المواضيع في نهج تجريبي وعددي مشترك ، وغالبًا ما يتم ذلك بالتعاون مع مجموعات بحثية أخرى في الجامعة.
طاقة الحرارية ودرجة الحرارة
تتناسب الطاقة الحرارية مباشرة مع درجة الحرارة داخل نظام معين (تذكر أن النظام هو موضع الاهتمام بينما تقع المناطق المحيطة خارج النظامين ويتفاعل الاثنان عبر الطاقة وتبادل المواد). كنتيجة لهذه العلاقة بين الحرارة الطاقة ودرجة حرارة النظام ، ينطبق ما يلي: كلما زادت الجزيئات ، زادت حركة الجزيئات داخل نظام معين ، كلما زادت درجة الحرارة وزادت الطاقة الحرارية
+ الجزيئات = + الحركة = + درجة الحرارة = + الطاقة الحرارية
كما هو موضح سابقًا ، تعتمد الطاقة الحرارية لنظام ما على درجة حرارة النظام الذي يعتمد على حركة جزيئات النظام. نتيجة لذلك ، كلما زادت الجزيئات الموجودة ، زادت كمية الحركة داخل نظام معين مما أدى إلى ارتفاع درجة الحرارة والطاقة الحرارية. لهذا السبب ، عند درجة حرارة 0 درجة مئوية ، تكون الطاقة الحرارية داخل نظام معين صفرًا أيضًا. هذا يعني أن عينة صغيرة نسبياً في درجة حرارة مرتفعة إلى حد ما مثل فنجان من الشاي في درجة حرارة الغليان لديها طاقة حرارية أقل من عينة أكبر مثل حمام سباحة في درجة حرارة منخفضة. إذا تم وضع كوب الشاي المغلي بجوار حمام التجميد ، فإن كوب الشاي سوف يتجمد أولاً لأنه يحتوي على طاقة حرارية أقل من حمام السباحة.
للحفاظ على تعريفات مباشرة
درجة الحرارة: درجة الحرارة هي متوسط الطاقة الحركية داخل كائن معين ويقاس بثلاثة مقاييس للقياس (فهرنهايت ، مئوية ، كلفن)
الطاقة الحرارية: تُعرَّف الطاقة الحرارية بأنها مجموع الطاقات الحركية ضمن نظام معين.
الحرارة: من المهم أن نتذكر أن الحرارة ناتجة عن تدفق الطاقة الحرارية بسبب الاختلافات في درجة الحرارة (الحرارة تتدفق من كائن في درجة حرارة أعلى إلى كائن في درجة حرارة منخفضة) ، يتم نقلها من خلال التوصيل / الحمل الحراري / الإشعاع. بالإضافة إلى ذلك ، تتدفق الطاقة الحرارية دائمًا من المناطق الأكثر دفئًا إلى المناطق الأكثر برودة.
الطاقة الحرارية وحالة المواد
توجد المادة في ثلاث حالات: صلبة أو سائلة أو غازية. عندما تخضع قطعة معينة لتغيير الحالة ، تتم إضافة الطاقة الحرارية أو إزالتها ولكن تظل درجة الحرارة ثابتة. عندما يتم إذابة مادة صلبة ، على سبيل المثال ، تكون الطاقة الحرارية هي السبب في تحطيم الروابط داخل المادة الصلبة.
الحرارة لنقل الطاقة الحرارية
يمكن إعطاء الحرارة في ثلاث عمليات مختلفة: التوصيل ، الحمل الحراري ، أو الإشعاع. يحدث التوصيل عندما يتم نقل الطاقة الحرارية من خلال تفاعل المواد الصلبة. تحدث هذه العملية غالبًا عند الطهي: غليان الماء في مقلاة معدنية يؤدي إلى تسخين المقلاة المعدنية أيضًا.
يحدث الحمل الحراري عادة في الغازات أو السوائل (بينما يحدث التوصيل في الغالب في المواد الصلبة) حيث يعتمد نقل الطاقة الحرارية على الاختلافات في الحرارة. باستخدام مثال وعاء الماء المغلي ، يحدث الحمل الحراري مع ارتفاع الفقاعات إلى السطح ، وبذلك تنقل الحرارة من الأسفل إلى الأعلى. الإشعاع هو نقل الطاقة الحرارية عبر الفضاء وهو مسؤول عن أشعة الشمس التي تغذي الأرض.
الطاقة الحرارية هي مفهوم قابل للتطبيق في الحياة اليومية. على سبيل المثال ، تعمل المحركات ، مثل تلك الموجودة في السيارات أو القطارات ، عن طريق تحويل الطاقة الحرارية إلى طاقة ميكانيكية. أيضًا ، تزيل الثلاجات الطاقة الحرارية من منطقة باردة إلى منطقة دافئة.
على نطاق أوسع ، تهدف الأبحاث العلمية الحديثة إلى تحويل الطاقة الشمسية إلى طاقة حرارية من أجل توليد الكهرباء والطاقة. على سبيل المثال ، تستكشف مراكز البحث العلمي مثل ناسا استخدامات وتطبيقات الطاقة الحرارية لتوفير إنتاج أكثر كفاءة للطاقة. في عام 1990 ، على سبيل المثال ، بحثت ناسا على نطاق واسع واستكشفت إمكانات نظام الطاقة الهجين الذي استخدم أجهزة تخزين الطاقة الحرارية (TES).
سيحول نظام الطاقة هذا الطاقة الشمسية إلى طاقة حرارية تستخدم بعد ذلك لإنتاج الطاقة الكهربائية والحرارة. ومع ذلك ، فقد تبين أن تحويل الطاقة الشمسية إلى طاقة حرارية أسهل بكثير وأكثر جدوى عندما لا تكون النظم في حالة توازن ديناميكي حراري. بدلاً من ذلك ، اقترح العلماء ، أن الجسم المتحرك أو السائل الجاري يمكن أن يسمح بتحويل الطاقة إلى طاقة حرارية.
