الطاقة الحرارية
تُعرّف الطاقة الحرارية (بالإنجليزية: Thermal Energy) بأنها ناتجة عن الطاقة الإجمالية لحركة الجزيئات الداخلية للمادة بطريقة عشوائية. تتكون المادة من جزيئات أو ذرات، وتختلف سرعة الحركة لهذه الجزيئات، حيث لا تتحدد بسرعة معينة، بل تعتمد على درجة الحرارة التي تؤثر على متوسط سرعة الطاقة الحركية. تُظهر هذه العلاقة الطردية بين درجة الحرارة والطاقة الحركية، فكلما ارتفعت درجة الحرارة، زادت الطاقة الحركية.
تتفاوت حركة الجزيئات حسب حالة المادة، حيث تكون في الحالة السائلة والغازية أكثر حرية مقارنةً بالحالة الصلبة التي تكون فيها الجزيئات مقيدة ولا يمكنها سوى الاهتزاز. وعلى الرغم من أن الجزيئات لا تُرى بالعين المجردة بسبب صغر حجمها، إلا أنها تمتلك كتلة صغيرة تسهم في توليد الطاقة الحركية عند تواجد عامل السرعة. وتتفاعل الجزيئات فيما بينها، أو مع المحيط الخارجي، مما يؤدي إلى إنتاج أنواع أخرى من الطاقة بناءً على خصائص المادة.
تحويل الطاقة الحرارية
يتطلب نقل الطاقة الحرارية من جسم إلى آخر وجود توازن حراري ديناميكي، حيث يجب أن تكون هناك اختلافات في درجات الحرارة بين الجسمين. يجب دمج الجسمين أو ملامستهما عند درجات حرارة مختلفة لحدوث انتقال للطاقة الحرارية، كما هو الحال في المحرك الحراري. وهذا يختلف عن أنواع الطاقة الأخرى التي لا تحتاج إلى توازن حراري ديناميكي، حيث يمكن للسائل المتدفق أو المادة الصلبة أن تحتوي على طاقة يمكن تحويلها مباشرة إلى عمل في بعض الأجهزة الميكانيكية مثل الطاحونة الهوائية أو توربين المياه. وليس بمقدور السائل أو المادة الصلبة تحقيق أي عمل عندما تكون في حالة توازن ديناميكي حراري. يمكن قياس الطاقة الحرارية استنادًا إلى درجة الحرارة، حيث تتكون الطاقة الموجودة في جزيئات الكائن من الطاقة الكامنة لجسم ما (EP) والطاقة الميكروسكوبية (EK)، وتعرف هذه الطاقة بالمحتوى الحراري، مما يؤدي إلى إنتاج الطاقة الكلية (ET) وفقًا للمعادلة التالية:
الطاقة الكلية للجسم = EK + EP
طرق نقل الطاقة الحرارية
توجد ثلاث طرق أساسية لنقل الطاقة الحرارية، وهي:
- التوصيل (بالإنجليزية: Conduction): تحدث هذه الطريقة عندما تتصادم جسمين مختلفين، مما يؤدي إلى انتقال الحرارة من الجسم الأكثر سخونة الذي يحتوي على طاقة حرارية أعلى إلى الجسم الأبرد. يحدث تبادل للطاقة الحرارية والطاقة الحركية بين الأجسام التي تحتوي على ذرات وجزيئات وأيونات تتحرك باستمرار، كما هو الحال في السوايل والغازات، أو تَهتز مثل الأجسام الصلبة المقيدة. على سبيل المثال، عندما يكون هناك ماء ساخن داخل وعاء، تتصادم الجزيئات عالية الطاقة في الماء مع جزيئات المعدن، مما يسبب انتقال الطاقة إلى الوعاء حتى تتساوى درجات الحرارة. يُعرف المعدن بسرعته في امتصاص الحرارة.
- الحمل الحراري (بالإنجليزية: Convection): يُشير الحمل الحراري إلى عملية نقل الحرارة من مادة إلى أخرى عبر حركة السوائل. يعد ذلك أساسيًا لنقل الحرارة في السوائل. يحمل السائل المتحرك الطاقة التي تعتمد على فرق الكثافة بين الأجسام، حيث تكون السوائل الأكثر برودة ذات كثافة أعلى، في حين أن الأسرع حرارة تكون أقل كثافة، مما يؤدي إلى ارتفاع الجزيئات الأقل كثافة إلى الأعلى عند تسخينها، وبالتالي تُنتَج تيارات حرارية.
- الإشعاع (بالإنجليزية: Radiation): تتيح هذه الطريقة انتقال الحرارة دون الحاجة لاتصال بين جسمين مختلفين، حيث تنتقل الحرارة من مصدرها إلى محيطها. تنتقل الطاقة الحرارية على شكل موجات كهرومغناطيسية، ويُعتبر مصدر الحرارة المتاحة على الأرض هي الأشعة التي تصل من الشمس، نتيجة لهذه الموجات الكهرومغناطيسية التي تنتقل من الشمس إلى الأرض.
فيديو: نفط من النفايات
لا شك أنك سمعت عن الطاقة المتجددة، ولكن بعض مصادرها قد تكون غير متوقعة على الإطلاق: