معلومات عن الحرارة ..

الحرارة:
الحرارة هي أحد أهم أنواع الطاقة، فهي هامة في الحفاظ على حياة الكائنات مستمرة، ويجب أن نحتفظ بكميات محدودة من الحرارة بحذر وإحكام كي نظل على قيد الحياة، وتستخدم أجسامنا الطعام الذي نأكله لتوليد كمية الحرارة التي تحفظ درجة حرارة الجسم عند حوالي 37°م. فإذا ارتفعت درجة حرارة أجسامنا ارتفاعًا كبيرًا فوق الدرجة الطبيعية، أو إذا انخفضت انخفاضًا كبيرًا تحتها فربما يسبب ذلك الموت، ونحن نرتدي في موسم البرد ملابس ثقيلة لنُبقي الحرارة داخل أجسامنا، بينما نرتدي أثناء الطقس الدَّافئ، ملابس خفيفة، لنتخلّص من الحرارة الزائدة عن الحاجة.
والحد الأقصى لدرجات الحرارة الذي يُمكن أن ترتفع إليه غبر معروف، لكن درجة الحرارة داخل أسخن النجوم تُقدَّر بملايين الدرجات، أما أقلّ درجة حرارة يمكن (نظريًا) الوصول إليها، وتُسمّى بالصفر المطلق، فهي - 273,15°م.
فعند درجة الصفر المطلق، لا تحتوي الأجسام على طاقة حرارية أبدًا، ولم يتمكن الفيزيائيون حتى الآن من تبريد أيّ جسم من الأجسام إلى درجة الصفر المطلق، لذا فإن أيّ جسم ـ بما في ذلك أبرد الأجسام ـ يحتوي على بعض الطاقة الحرارية.
ولا يمكن رؤية الحرارة أو الطاقة ولكن يمكن رؤية الأثر الذي يحدثانه، فمثلاً، ينتج عن احتراق الوقود في محركات الطائرة النفاثة غازات ساخنة تتمدد فتوفر القدرة اللازمة لتحريك الطائرة.
استخدامات الحرارة:
تستخدم الحرارة في منازلنا في مجالات شتى؛ إذ نستخدمها في تدفئة المنازل وطبخ الطعام وتسخين الماء وتجفيف الملابس بعد غسلها، كما أن الحرارة هي التي تجعل المصابيح الكهربائية تضيء.
أما مجالات استخدام الحرارة في الصناعة فتكاد لا تحصى، فنحن نستخدمها في فصل الفلزات من خاماتها وفي تكرير البترول الخام. ونستخدمها في صهر الفلزات وتشكيلها وقطعها وتغليفها وتقويتها وضمّها بعضها لبعضً. ونستخدم الحرارة أيضًا في صناعة أو تحضير الأغذية والزجاج والورق والمنسوجات وعدّة منتجات أخرى.
ونستخدم الحرارة أيضًا في تشغيل معداتنا الآلية؛ فالحرارة التي تتولّد من الوقود المحترق في محركات كل من الطائرات والسيارات والصواريخ والسفن توفر القدرة اللازمة لتحريك هذه الآليات. وكذلك تجعل الحرارة المولدات الضخمة تدور وتولد الكهرباء التي تزودنا بالإضاءة.
مصادر الحرارة:
مصدر الحرارة هو أي شيء يُعطي حرارة، وتصدر الحرارة في كافة أشكالها من ستة مصـادر رئيسيـة هي:

الشمس

الأرض
التفاعلات الكيميائية
الطاقة النووية
الاحتكاك
الكهرباء.
أ- الشمس:
هي المصدر الحراريّ الأهم، حيث يصل جزء يسير جدًا من الحرارة المنتجة في الشمس إلى الأرض. وهذا الجزء يضمن استمرارية الحياة على الأرض للإنسان ولكل أنواع الكائنات الحية.
وتمتص البحار وسطح الأرض والنباتات والغلاف الجويّ حرارة الشمس، ويمكن جمع كميّات كبيرة من حرارة الشمس باستخدام أجهزة مثل الأفران الشمسية الضخمة، وتحتوي هذه الأفران الشمسية على مرايا تعكس أشعة الشمس من مساحة واسعة لتركّزها على بقعة واحدة.

باطن الأرض يحتوي على طاقة هائلة
ب- الأرض:
وتحتوي على كميات كبيرة من الحرارة على أعماق بعيدة بباطنها، ويتسرَّب جزء من هذه الحرارة إلى السطح عندما يثور بركان مثلا. والمادة المنبعثة من البراكين ما هي إلا صخور صهرتها الحرارة الكامنة على أعماق بعيدة في باطن الأرض، كذلك تتسرَّب بعض الحرارة الموجودة في باطن الأرض أيضًا إلى السطح في شكل حِمم فوارة، وتقذف هذه النوافير الفوارة إلى الخارج بماء يغلي تم تسخينه بوساطة الصخور الساخنة الموجودة في باطن الأرض. ويمكن استخدام الحرارة الصادرة عن الأرض في توليد الكهرباء وتدفئة المباني وغيرها.
ج- التفاعلات الكيميائية:
يمكن أن تُنتج الحرارة بعدّة طُرق، ويُسمَّى التفاعل الكيميائيّ الذي تتّحد فيه مادة ما مع الأكسجين الأكسدة، وتنتج الأكسدة السريعة الحرارة بسرعة تكفي لإشعال اللّهب، وعندما يحترق الفحم أو الخشب أو الغاز الطبيعي أو أيّ وقود آخر، تتحد بعض المواد الموجودة في ذاك الوقود مع أكسجين الهواء فتكوّن مركّبات أخرى، ويُنتج هذا التفاعل الكيميائي، الذي يُعرف بالاحتراق، حرارة ونار.
وينتج مزج أنواع معينة من المواد الكيميائية بعضها مع بعض حرارة كذلك. فمثلا، إذا مُزج حامض الكبريتيك المركز مع الماء، فإن المزيج يصير ساخنًا لدرجة الغليان.
وفي كل الكائنات الحية، يتحول الطعام إلى حرارة، بالإضافة إلى طاقة وأنسجة حيّة عن طريق عملية التفاعل الحيوي، والتي تُسمى أيضًا الأيض، والأيض هو عبارة عن سلسلة تفاعلات كيميائية معقدة متوالية تقوم بها الخلايا الحية.
د- الطاقة النووية:
الطاقة النووية يمكنها أن تنتج كميات كبيرة من الحرارة، فالأسلحة النووية تُطلق كميات الحرارة بدرجة من الكثافة والسرعة بحيث تدمّر كل ما هو موجود حول مكان سقوطها، ولا يمكن التحكّم في الحرارة المنبعثة من هذه الأسلحة للاستفادة منها كما نريد، ولكن من الممكن أن تنتج الحرارة من الطاقة النووية ببطء كاف للاستفادة منها في توليد الكهرباء وإنجاز أعمال أخرى وذلك في جهاز يُسمّى المفاعل النووي.
هـ - الاحتكاك:
عندما يحتك جسم بجسم آخر تنتج حرارة، ويمثل الاحتكاك في معظم الأحيان مصدر حرارة غير مرغوب فيه لأنه ربما يُتلف الأشياء، فمثلاً الحرارة التي تنتج في أية آلة عندما تحتك أجزاؤها بعضها ببعض ربما تؤدي إلى تآكل هذه الأجزاء، ولذا يوضع زيت التشحيم بين أجزاء الآليات المتحركة المتلامسة، وينقص زيت التشحيم فاعلية الاحتكاك وبالتالي يقلّل توليد الحرارة.

الكهرباء أحد مصادر الحرارة
و- الكهرباء:
يولد انسياب الكهرباء خلال الفلزات والسبائك وسائر الموصّلات (مواد تحمل أو توصل التيار الكهربائي) حرارة، ويستعمل الناس هذه الحرارة في تشغيل العديد من هذه الأجهزة مثل الأفران الكهربائية، وأجهزة التجفيف، والتدفئة ومحمصات الخبز الكهربائية، والكاويات الكهربائية.
ما هي درجة الحرارة:
تتكوّن كل الأشياء من ذرات أو جزيئات في حالة حركة دائمة، وتُكسِب هذه الحركة الأجسام طاقة داخلية، ويعتمد منسوب الطاقة الداخلية للجسم على مدى سرعة تحرك ذراته أو جزيئاته، فإذا تحركت ببطء فإن منسوب طاقة الجسم الداخلية يكون منخفضًا، أما إذا كانت تتحرك بشدة فإن الجسم يكون له منسوب طاقة داخلية مرتفع، وللأجسام الساخنة منسوب طاقة داخلية أعلى مما للأجسام الباردة، والكلمتان ساخن وبارد تشيران إلى درجة حرارة الجسم.

الترمومتر أشهر وسائل قياس الحرارة
ويُستخدم الترمومتر لقياس درجة الحرارة، وهو يحتوي على تدريج مرقم، وبالتالي يمكن التعبير عن درجة الحرارة بالدرجات، وهناك عدة تدريجات: منها السلزيوسي ـ أو المئوي ـ والتدريج الفهرنهايتي .
وتحدد درجة حرارة أي جسم ما إذا كان ذلك الجسم سيكسب مزيدًا من الطاقة الداخلية أو سيفقد جزءًا منها عندما يمس جسمًا آخر، فإذا مسّت صخرة ساخنة أخرى باردة فإن بعض الطاقة الداخلية في الصخرة الساخنة سينتقل إلى الصخرة الباردة في شكل حرارة.
والحرارة تنتقل من جسم ذي درجة حرارة أعلى إلى آخر ذي درجة حرارة أقل، وكلما كان الفرق في درجة الحرارة بين جسمين أكبر، كان انتقال الحرارة بينهما أسرع.
ويجب التفرقة بين درجة الحرارة وكمية الحرارة، حيث أنهما شيئان مختلفان وليسا شيئًا واحدًا، فدرجة حرارة الجسم هي دليل على منسوب طاقته، بينما كمية الحرارة هي الطاقة المنتقلة من جسم لآخر.
وحدات قياس الحرارة:
أكثر وحدات قياس الحرارة شيوعا هي: السُّعر والجول والوحدة الحرارية البريطانية.
والسعر الحراري هو كمية الحرارة اللازمة لرفع درجة حرارة جرام واحد من الماء 1°م، والسعر الحراري المستخدم في قياس الطاقة الحرارية الناتجة من الأطعمة، يساوي 1000 ضِعْف هذا السعر الحراري الذي عرّفناه، ويستخدم غالبا في العلوم، والوحدة الحرارية البريطانية الواحدة هي كمية الحرارة اللازمة لرفع درجة حرارة رطل واحد من الماء 1°ف. وتُستخدم غالبًا في الهندسة. أما الجول فيمكن أن يُستخدم في قياس كل أنواع الطاقة، والجول الواحد هو كمية الطاقة المستهلكة ـ أو الجهد المبذول ـ عندما تحرك قوة مقدارها نيوتن واحد جسمًا مسافة متر واحد في اتجاهها.
كيفية انتقال الحرارة:
تنتقل الحرارة من جسم أو من مكان لآخر بثلاث طرق:
التوصيل
الحمل
الإشعاع.
التوصيل احد أشكال انتقال الحرارة
أ‌- التوصيل:
هو انتقال الحرارة خلال مادة ما، وعندما تنتقل الحرارة بالتوصيل، فإنها تتحرك داخل المادة دون أن تحمل معها أي جزء من المادة. فمثلاً، عندما يوضع أحد طرفي قضيب نحاسي في نار، فإن الطرف الآخر يسخن سريعا، وتفسير ذلك أن ذرات النحاس عند الطرف الساخن تبدأ في الاهتزاز بصورة أسرع وعلى نطاق أوسع، فتصطدم بذرات أخرى مجاورة لها، ويجعل التصادم الذرات المصدومة تهتز كذلك بصورة أسرع وأوسع وبالتالي تصطدم بذرات أخرى مجاورة لها من ناحية الطرف البارد، وبهذه الطريقة تنتقل الحرارة من ذرة إلى أخرى حتى تصل الطرف الآخر من القضيب، ولكن لا تنتقل الذرات نفسها من طرف لآخر أثناء هذه العملية.
ب‌- الحمل:
هو انتقال الحرارة بوساطة تحرك مادة مسخنة، فمثلاً تُسخِّن المدفأة الموجودة في حجرة الهواء المحيط بها بالحمل، يتمدد هذا الهواء المسخَّن، وبالتالي يصبح أخف وزنًا من طبقة الهواء الأبرد المحيطة به، ومن ثم يصعد إلى أعلى ويحل محله هواء أبرد، بعدئذ يسخن الهواء الأبرد المجاور للمدفأة ويصعد إلى أعلى وتحل محله طبقة هواء أبرد أخرى وهكذا دواليك، ويُسمى تحرك الهواء المسخَّن بعيدًا عن المنطقة الساخنة وانسياب هواء أبرد نحو تلك المنطقة تيار الحمل. ويتم انتقال الحرارة بالحمل في السوائل وفي الغازات معًا. على سبيل المثال، نجد تيارات الحمل في إناء به ماء بارد وموضوعة على موقد ساخن، فعندما يسخن الماء المجاور لقاع الإناء ويتمدد، ويصير أخفّ وزنًا من الماء البارد الموجود بالقرب من أعلى الإناء، ويهبط هذا الماء البارد ـ الأثقل ـ إلى أسفل ويدفع الماء المسخَّن ـ الأخف ـ إلى أعلى، ويستمر تيار الحمل حتى يصل كل الماء في الإناء إلى نفس درجة الحرارة.
حرارة الشمس تصل إلينا بالإشعاع
ج – الإشعاع:
يعتمد انتقال الحرارة في عمليتي التوصيل والحمل على حركة الجُسيمات الساخنة (في حالة التوصيل الحركة اهتزازية)، ولكن في حالة الإشعاع يمكن أن تنتقـل الحـرارة خلال الفراغ الذي لا يحوي جسيمات، تولِّـد الــذرات أو الجزيئات المتحركة داخل أي جسم موجـات من الطاقـة الإشعاعية تُسمَّى هـذه الأشعة تحت الحمراء، وتشع الأجسام الساخنة كمية من الأشعة تحت الحمراء أكبر من الكمية التي تشعها الأجسام الباردة. وتنتقــل الأشعـة تحت الحمراء خلال الفضاء بطريقة مشابهة جدًا لانتقال موجات الماء على سطح بركة. فعندما تصدم الطاقة الإشعاعية جسمًا فإنها تزيد من سرعة ذراته أو جزيئاته، وتنتقل الطاقة من الشمس إلى الأرض خلال الفضاء بالإشعاع. وتُسخِّن هذه الأشعة سطح الأرض عندما تصله.
العزل الحراري:
هو طريقة للتحكُّم في تحرك الحرارة بحبسها داخل أو خارج مكان ما، فمثلاً، تُعزل المباني السكنية حراريًا لتحبس الحرارة داخلها في فصل الشتاء وخارجها في فصل الصيف.
وهناك مواد معينة، كالخشب والبلاستيك، عوازل جيدة ضد انتقال الحرارة بالتوصيل، ولهذا السبب تصنع مقابض العديد من أواني المطبخ الفلزية من هذه المواد، وتسخن هذه الأواني الفلزية بسرعة بالتوصيل ولكن تبقى مقابضها باردة.
ويمكن منع تحرك الحرارة بالحمل خلال الهواء بسد المجال بين منطقة حارة ومنطقة باردة بهواء ساكن، فمثلاً، تعمل طبقة الهواء الموجودة بين النافذة الخارجية والنافذة الداخلية على الشباك عازلاً للحمل.
وتمنع السطوح التي تعكس الأشعة دون الحمراء انتقال الحرارة بالإشعاع، فعلى سبيل المثال، تعكس السقوف الفلزية اللامعة أشعة الشمس، وتمنع بالتالي انتقال حرارة الشمس إلى الداخل عن طريق السقف.
ماذا تعمل الحرارة:
عندما تنساب الحرارة إلي داخل جسم أو تخرج منه يمكن أن تحدث تغييرات في ذلك الجسم بثلاث طرق، فالحرارة يمكن أن تسبب تغييرات في:
درجة الحرارة
أبعاد الجسم (طول، مساحة، حجم)
حالة المادة.