انرژی گرمایی: مجموع انرژی جنبشی ذره‌های سازنده یک نمونه ماده

انرژی گرمایی: نیروی پنهان درون ماده

انرژی گرمایی چیست و چگونه تولید می‌شود؟

همه مواد از ذرات بسیار ریزی به نام اتم^۶ و مولکول^۷ ساخته شده‌اند. این ذرات به طور دائم در حال حرکت و لرزش هستند. انرژی‌ای که به دلیل این حرکت به ذرات یک ماده تعلق می‌گیرد، انرژی جنبشی نام دارد. حال، اگر انرژی جنبشی تمام این ذرات ریز را با هم جمع کنیم، مقدار کل آن، همان انرژی گرمایی کل ماده است.

یک مثال ساده: فرض کنید یک لیوان آب گرم و یک سطل آب گرم دارید. دمای آب هر دو ممکن است یکسان باشد (مثلاً 40 درجه سانتی‌گراد). این دما نشان‌دهنده میانگین انرژی جنبشی ذرات آب است. اما سطل آب، به دلیل داشتن مولکول‌های آب بیشتر، انرژی گرمایی بسیار بیشتری در خود ذخیره کرده است. پس انرژی گرمایی به مقدار ماده نیز بستگی دارد.

تفاوت انرژی گرمایی و دما

این دو مفهوم بسیار به هم مرتبط اما کاملاً متفاوت هستند. درک این تفاوت کلید فهم بسیاری از پدیده‌های گرمایی است.

حالت‌های مختلف ماده و انرژی گرمایی

انرژی گرمایی بر حالت فیزیکی ماده (جامد، مایع، گاز) تأثیر مستقیم دارد. با افزایش انرژی گرمایی، حرکت ذرات بیشتر شده و نیروی بین مولکولی^۸ ضعیف‌تر می‌شود.

یک تکه یخ (جامد) را در نظر بگیرید. ذرات آن در مکان‌های تقریباً ثابتی در کنار هم قرار دارند و فقط می‌لرزند. وقتی به آن گرما می‌دهیم، انرژی جنبشی ذرات افزایش یافته و شروع به حرکت آزادانه‌تر می‌کنند. در این مرحله یخ ذوب شده و به آب (مایع) تبدیل می‌شود. اگر باز هم گرما بدهیم، انرژی ذرات آنقدر زیاد می‌شود که می‌توانند کاملاً از هم جدا شوند و آب به بخار (گاز) تبدیل گردد.

انتقال انرژی گرمایی: گرما چگونه سفر می‌کند؟

انرژی گرمایی همیشه از جسم با دمای بالاتر به جسم با دمای پایین‌تر جریان می‌یابد. این انتقال از سه راه اصلی صورت می‌گیرد:

رسانش^۹: در این روش، گرما از طریق برخورد مستقیم ذرات منتقل می‌شود. وقتی یک سر میله فلزی را حرارت می‌دهیم، ذرات آن سر، انرژی بیشتری گرفته و با ذرات مجاور برخورد می‌کنند و انرژی را به آن‌ها منتقل می‌کنند. این ر ادامه می‌یابد تا تمام میله گرم شود. فلزات رسانای خوبی برای گرما هستند.

هم‌رفتی^۱۰: این روش در مایعات و گازها رخ می‌دهد. وقتی قسمتی از یک مایع یا گاز گرم می‌شود، منبسط شده و چگالی آن کم می‌شود. در نتیجه، بخش گرم شده بالا رفته و بخش‌های سردتر جایگزین آن می‌شوند. این چرخه باعث ایجاد یک جریان برای انتقال گرما می‌شود. گرمایش یک اتاق توسط رادیاتور نمونه‌ای از هم‌رفتی است.

تابش^۱۱: در این روش، گرما به صورت امواج الکترومغناطیسی (مانند نور مرئی و مادون قرمز) و بدون نیاز به یک محیط مادی منتقل می‌شود. انرژی خورشید از طریق خلا فضا به همین روش به زمین می‌رسد.

محاسبه انرژی گرمایی و مفهوم ظرفیت گرمایی

مقدار انرژی گرمایی $Q$ که به یک جسم داده می‌شود تا دمای آن را به اندازه $\Delta T$ افزایش دهد، از رابطه زیر به دست می‌آید:

ظرفیت گرمایی ویژه یک ویژگی منحصر به فرد برای هر ماده است و نشان می‌دهد که برای افزایش دمای 1 کیلوگرم از آن ماده به اندازه 1 درجه سانتی‌گراد، چه مقدار انرژی گرمایی نیاز است. برای مثال، آب ظرفیت گرمایی ویژه بسیار بالایی (4184 ژول بر کیلوگرم بر درجه سانتی‌گراد) دارد، به همین دلیل دیر گرم و دیر سرد می‌شود.

کاربردهای انرژی گرمایی در زندگی روزمره

انرژی گرمایی پایه و اساس بسیاری از فناوری‌ها و پدیده‌های اطراف ماست.

پخت‌وپز: وقتی غذا را روی اجاق گاز می‌پزیم، انرژی گرمایی از شعله به ظرف و سپس به مواد غذایی منتقل می‌شود و باعث پخته شدن آن می‌گردد.

سیستم گرمایشی: در شوفاژ خانه، آب توسط موتورخانه گرم می‌شود (انرژی گرمایی می‌گیرد). سپس این آب گرم از طریق لوله‌ها به رادیاتورها منتقل شده و گرما را از طریق هم‌رفتی و تابش به هوای اتاق می‌دهد.

موتور خودرو: در موتورهای درون‌سوز، سوختن بنزین یا گازوئیل مقدار عظیمی انرژی گرمایی آزاد می‌کند. این انرژی به انرژی مکانیکی تبدیل شده و خودرو را به حرکت درمی‌آورد.

سرمایش توسط تعریق: وقتی بدن ما گرم می‌شود، عرق می‌کند. تبخیر عرق از روی پوست نیاز به انرژی گرمایی دارد. این انرژی از بدن ما گرفته می‌شود و در نتیجه پوست خنک‌تر می‌شود.

اشتباهات رایج و پرسش‌های مهم

پاورقی

^۱ انرژی گرمایی (Thermal Energy)
^۲ انرژی جنبشی (Kinetic Energy)
^۳ دما (Temperature)
^۴ ظرفیت گرمایی (Heat Capacity)
^۵ انتقال حرارت (Heat Transfer)
^۶ اتم (Atom)
^۷ مولکول (Molecule)
^۸ نیروی بین مولکولی (Intermolecular Force)
^۹ رسانش (Conduction)
^۱۰ هم‌رفتی (Convection)
^۱۱ تابش (Radiation)
^۱۲ ظرفیت گرمایی ویژه (Specific Heat Capacity)