ما المقصود بالطاقة الحرارية؟

يُعد تدفق الطاقة الحرارية من نظام إلى آخر هو الأساس لفرع من فروع الفيزياء يُعرف باسم الديناميكا الحرارية. حقق العلماء قفزات نوعية مبتكرة في العلوم الفيزيائية بفضل الاكتشافات في مجال الديناميكا الحرارية. واليوم، تساعد هذه الاكتشافات على إطلاق عصر جديد من بدائل الطاقة.

يعود أصل مصطلح "الطاقة الحرارية" إلى العصور القديمة (حوالي 500 سنة قبل الميلاد). ومع ذلك، فإن اكتشافها غالبًا ما يُنسب إلى James Prescott Joule، وهو عالم فيزياء ورياضيات ومنتج بيرة إنجليزي عاش في القرن التاسع عشر.

أجرى Joule تجارب على تحويل الطاقة الميكانيكية، ولاحظ أنه كلما تلاعب بسرعة مادة ما، أصبحت أكثر سخونة. ومن خلال ملاحظة التغيرات في درجات الحرارة الناتجة عن الاحتكاك والتفاعلات الكيميائية، اكتشف Joule أن الطاقة يمكن أن تتجلى في أشكال مختلفة، مثل الحرارة، وأن هناك علاقة مباشرة بين الحرارة والعمل الميكانيكي (الطاقة المنقولة من أو إلى شيء ما باستخدام القوة).

قوبل Joule والنتائج التي توصل إليها بالتشكيك طوال حياته المهنية. ومع ذلك، فإننا نقيس اليوم كمية العمل التي ينتجها النظام بوحدة الجول (joules)، وهي وحدة طاقة ضمن النظام الدولي للوحدات (SI). ومهدت اكتشافاته الطريق لقانون حفظ الطاقة، الذي ينص على أن الطاقة الإجمالية في النظام المعزول تظل ثابتة. وقد أدى هذا الاكتشاف إلى وضع القانون الأول للديناميكا الحرارية

من بين العلوم الفيزيائية الأربعة، تُعد الديناميكا الحرارية فرعًا من فروع الفيزياء التي تركز على الحرارة والعمل ودرجة الحرارة وتستكشف علاقتهم بالطاقة والإنتروبيا والخصائص الفيزيائية مثل المادة والإشعاع. تخضع التفاعلات الملاحظة بين هذه العناصر لأربعة قوانين:

في البداية، لم يُنظر إلى القانون الصفري على أنه قانون منفصل للديناميكا الحرارية لأنه مضمّن في القوانين الثلاثة الأخرى. وهو يركز على الاتزان الحراري، وهو عندما يصل جسمان متقاربان إلى درجة الحرارة نفسها ولا يعودان يتبادلان الطاقة الحرارية (فكر في الماء الساخن وكوب بارد يتحول كلاهما إلى درجة حرارة الغرفة). ينص القانون على أنه إذا كان كل نظام في حالة اتزان حراري مع نظام ثالث، فإنهما يكونان أيضًا في حالة اتزان حراري مع بعضهما. من نواحٍ عديدة، يعمل القانون الصفري كخاصية متعدية.

عندما يُمثَّل القانون الأول للديناميكا الحرارية في صيغة معادلة، يكون تعبيرًا عن قانون حفظ الطاقة. وهو ينص على أن الطاقة لا يمكن أن تُستحدث أو تُفنى، بل يمكن تحويلها فقط من شكل من أشكال الطاقة إلى شكل آخر. لذلك، ستكون الحرارة داخل النظام مساوية للحرارة الواردة من المصدر.

ببساطة، ينص القانون الثاني للديناميكا الحرارية على أن الحرارة تتدفق تلقائيًا من المناطق الأكثر سخونة إلى المناطق الأكثر برودة. لكن العكس لا يحدث: لن تتدفق الحرارة تلقائيًا من المناطق الباردة إلى المناطق الساخنة. ويُعد هذا الفرق مهمًا لأنه يرسخ مفهوم الإنتروبيا (درجة الفوضى أو عدم الاستقرار في النظام) كخاصية فيزيائية. ستزداد الإنتروبيا حتى تصل إلى ذروتها عند الاتزان الحراري.

على الرغم من أن القانون الثالث للديناميكا الحرارية يُعد مستحيلاً، فإنه ينص على أنه مع اقتراب درجة حرارة النظام من الصفر المطلق، ستقترب إنتروبيا النظام من أدنى قيمة. يُعد مفهوم الصفر المطلق، الذي يتوقف فيه كل نشاط داخل النظام، غير قابل للتحقيق حيث لا يمكن للجزيئات أن تصبح ساكنة تمامًا. ومع ذلك، يُعتقد أن نقطة الصفر، أو أدنى درجة حرارة ممكنة، هي -273.15 درجة مئوية (أو -45967 درجة فهرنهايت) على مقياس كلفن لدرجة الحرارة.

يمكن تصنيف الطاقة إلى طاقة حركية أو طاقة كامنة. تُقاس الطاقة الحركية بحركة الجسم مع مراعاة الكتلة والسرعة. الطاقة الكامنة هي احتمالية حركة الجسم بناءً على عدة عوامل مثل موضعه (هل الجسم معلق في الهواء أم على الأرض؟)، والخصائص (ممَّ يتكون الجسم؟)، وعلاقته بالأجسام الأخرى (هل يمكن أن يتسبب جسم آخر في حركته؟).

تخيل كرة معلقة بخيط. عندما تكون الكرة معلقة، فإنها تحتفظ بالطاقة الكامنة. فهي ليست في حالة حركة، ولكنها يمكن أن تتحرك لأن الجاذبية تؤثر فيها كقوة كامنة. فإذا قُطع الخيط وسقطت الكرة، فسيكون لديها طاقة حركية لأنها جسم متحرك. تتضمن بعض الأمثلة البارزة على الطاقة الكامنة والطاقة الحركية ما يلي:

الطاقة الحرارية هي إجمالي الطاقة الحركية داخل النظام، والتي تُلاحظ على أنها طاقة حركية اهتزازية أو دورانية أو انتقالية. ومع ذلك، توجد أيضًا طاقة "مخفية" (أو بالأحرى، مجهرية) موجودة في شكل طاقة داخلية تتأثر بجميع الجسيمات الموجودة في النظام، وتمثل كلاً من الطاقة الحركية والطاقة الكامنة.

يمكن أن تنتقل الطاقة الحرارية بثلاث طرق: التوصيل والحمل الحراري والإشعاع. ولفهم كيفية عمل كل منهما بشكل أفضل، تخيل قِدرًا من الماء المغلي على الموقد.

• التوصيل هو تدفق الطاقة عبر المواد الصلبة. ومع تسخين الشعلة للقِدر، تنتقل الطاقة عبر الجسم كله وتزيد من درجة حرارة سطحه.
• الحمل الحراري هو تدفق الطاقة من خلال حركة السوائل. مع ازدياد سخونة القِدر، يتكيف الماء مع اختلاف درجة الحرارة. يرتفع الماء الساخن إلى الأعلى بينا ينسحب الماء البارد إلى الأسفل، ما يؤدي إلى إنشاء تيار دائري يُعرف باسم حركة كتلة السائل.
• الإشعاع هو تدفق الطاقة عبر الموجات. تنتقل الطاقة الحركية من الشعلة عبر الموجات الكهرومغناطيسية وتتحول إلى حرارة بمجرد أن تلامس جسمًا، وهو في هذه الحالة القِدر.

تمر الحرارة الموزعة في هذا المثال بثلاث حالات مختلفة: الصلبة والسائلة والغازية. الطاقة الحرارية يمكن أن تغير الأجسام عبر كل حالة، بل ويمكن أن تبدأ تغييرًا في الحالة حسب كمية الحرارة المطبقة عليها. وهذا يعتمد على الحرارة الكامنة والمحسوسة.

تشير الحرارة الكامنة إلى كمية الحرارة أو الطاقة اللازمة لتحفيز تغيير الحالة (تحويل الماء المغلي إلى بخار). تشير الحرارة المحسوسة إلى الطاقة اللازمة لرفع درجة حرارة المادة (الشعلة التي تجعل الإناء أكثر سخونة). ولكل جسم سعته الحرارية النوعية، وهي كمية الحرارة اللازمة لرفع درجة حرارته بمقدار درجة مئوية واحدة. يتمتع الماء بحرارة نوعية عالية، ما يعني أنه يتطلب الكثير من الطاقة لرفع درجة حرارته، في حين أن الهواء له حرارة نوعية منخفضة نظرًا إلى أن الغازات عادةً ما تكون ذات سعة حرارية نوعية أقل.

غالبًا ما يُستخدم مصطلح الطاقة الحرارية بالتبادل مع مصطلح الحرارة، على الرغم من وجود أوجه اختلاف بسيطة. تشير الطاقة الحرارية إلى حركة الجزئيات والذرات داخل النظام. في المقابل، الحرارة هي انتقال الطاقة الحرارية أو تدفقها من نظام إلى آخر. تُقاس كل من الطاقة الحرارية والحرارة بوحدات الجول.

تشير درجة الحرارة إلى متوسط الطاقة الحركية المولدة داخل النظام، وتُقاس بالدرجات المئوية أو الفهرنهايت أو كلفن أو رانكين. من المهم ملاحظة أن درجة الحرارة تسجل مدى "سخونة" الجسم أو "برودته" في وقت محدد، وليس "طاقته". على سبيل المثال، لا يمكن لدرجة الحرارة إخبارك بكمية الحرارة الخارجة من النظام.

وثمة طريقة أخرى لتصور العلاقة بين الثلاث وهي أن الطاقة الحرارية هي إجمالي كمية الطاقة في النظام، والحرارة هي تدفق الطاقة من هذا النظام إلى آخر، ودرجة الحرارة هي متوسط الطاقة الحركية للجزيئات.

في وقت تتزايد فيه المخاوف بشأن تغير المناخ، يزداد الضغط على الشركات للتوجه نحو عمليات الصافي الصفري . توفر الطاقة الحرارية للمؤسسات فرصة للانتقال إلى مصادر الطاقة المتجددة والابتعاد عن الوقود الأحفوري.

ومن الأمثلة على ذلك: 

يمكن أن يكون تسخير الطاقة الحرارية كمصدر للطاقة المتجددة وسيلة فعالة للشركات لتوسيع نطاق إستراتيجية إدارة الطاقة لديها. والأكثر من ذلك، أنه يمكن أن يساعد الشركات على التخفيف من أي ضرر إضافي يلحق بكوكب الأرض عن طريق تقليل الاستهلاك وتحسين الحفاظ على الطاقة.