انرژی حرارتی: گرمای درون همه چیز
انرژی حرارتی از کجا می‌آید؟
همه مواد از ذرات بسیار ریزی به نام اتم5 و مولکول6 ساخته شده‌اند. این ذرات کوچک، همیشه در حال حرکت و لرزش هستند. انرژی‌ای که این ذرات به دلیل حرکت خود دارند، انرژی جنبشی7 نامیده می‌شود. وقتی مجموع انرژی جنبشی تمام ذرات یک جسم را در نظر بگیریم، به آن انرژی حرارتی می‌گوییم. هر چه ذرات یک جسم سریع‌تر حرکت کنند، انرژی حرارتی آن بیشتر است.
یک مثال ساده: یک کاسه سوپ داغ را در نظر بگیرید. مولکول‌های سوپ به سرعت در حال حرکت و برخورد با یکدیگر هستند. این حرکت سریع، انرژی حرارتی زیادی تولید می‌کند که ما آن را به صورت گرما احساس می‌کنیم. اما اگر همان سوپ سرد شود، حرکت مولکول‌ها کند شده و انرژی حرارتی کمتری دارد.
تفاوت انرژی حرارتی و دما
خیلی از افراد فکر می‌کنند انرژی حرارتی و دما یکی هستند، اما اینطور نیست! این دو مفهوم با هم مرتبط هستند، اما تفاوت مهمی دارند.
| ویژگی | دما | انرژی حرارتی |
|---|---|---|
| تعریف | معیاری برای اندازه‌گیری سرعت متوسط حرکت ذرات | مجموع انرژی جنبشی همه ذرات یک جسم |
| وابستگی به اندازه | مستقل از اندازه و مقدار جسم است | به اندازه و مقدار جسم وابسته است |
| مثال | یک لیوان آب و یک کتری آب هر دو در 100 درجه سانتی‌گراد می‌جوشند (دمای یکسان) | کتری آب انرژی حرارتی بسیار بیشتری دارد چون مقدار آب بیشتری دارد |
گرما چگونه جابه‌جا می‌شود؟
انرژی حرارتی همیشه از جسم گرم‌تر به جسم سردتر منتقل می‌شود. این انتقال به سه روش اصلی انجام می‌شود:
۱. رسانش3: در این روش، گرما از طریق تماس مستقیم بین مولکول‌ها منتقل می‌شود. وقتی یک سر قاشق فلزی را در فنجان چای داغ قرار می‌دهید، پس از چند لحظه سر دیگر آن نیز داغ می‌شود. مولکول‌های فلز که در تماس با چای داغ هستند، سریع‌تر نوسان می‌کنند و این نوسان را به مولکول‌های کناری خود منتقل می‌کنند. این انتقال تا انتهای قاشق ادامه پیدا می‌کند.
۲. همرفت8: این روش معمولاً در مایعات و گازها رخ می‌دهد. وقتی قسمتی از یک مایع یا گاز گرم می‌شود، منبسط شده و سبک‌تر می‌شود و به سمت بالا حرکت می‌کند. سپس قسمت‌های سردتر جای آن را می‌گیرند و این چرخه ادامه پیدا می‌کند. گرم شدن هوای یک اتاق توسط رادیاتور، یک مثال عالی از همرفت است.
۳. تابش9: در این روش، گرما به صورت امواج نامرئی به نام امواج مادون قرمز10 منتقل می‌شود. این امواج برای انتقال نیاز به ماده ندارند و حتی در خلا نیز حرکت می‌کنند. وقتی در یک روز آفتابی کنار پنجره می‌ایستید و احساس گرما می‌کنید، یا گرمایی که از آتش احساس می‌کنید، هر دو نتیجه تابش هستند.
انرژی حرارتی در خدمت انسان
ما در زندگی روزمره از انرژی حرارتی به روش‌های مختلفی استفاده می‌کنیم. در واقع، کنترل و هدایت این انرژی است که به ما کمک می‌کند زندگی راحت‌تری داشته باشیم.
وقتی غذا می‌پزیم، از انرژی حرارتی برای تغییر مواد خام به غذایی خوشمزه استفاده می‌کنیم. اجاق گاز، انرژی شیمیایی موجود در گاز را به انرژی حرارتی تبدیل می‌کند. در زمستان، سیستم شوفاژ خانه، انرژی حرارتی آب داغ را توسط روش همرفت به همه جای اتاق منتقل می‌کند. حتی بدن ما نیز برای گرم نگه داشتن خود، با سوزاندن مواد غذایی، انرژی حرارتی تولید می‌کند.
یکی از جالب‌ترین تبدیل‌های انرژی، در موتور بخار11 اتفاق می‌افتد. در این موتور، انرژی حرارتی ناشی از سوختن زغال‌سنگ یا چوب، آب را به بخار داغ تبدیل می‌کند. سپس این بخار با فشار زیاد، یک پیستون را حرکت می‌دهد. در اینجا، انرژی حرارتی ابتدا به انرژی جنبشی (برای مولکول‌های بخار) و سپس به انرژی مکانیکی (برای حرکت پیستون) تبدیل می‌شود. این یک اصل مهم است: انرژی از بین نمی‌رود، فقط از شکلی به شکل دیگر تبدیل می‌شود.
سوالات متداول درباره انرژی حرارتی
خیر. چیزی به نام "انرژی سرما" وجود ندارد. ما فقط انرژی حرارتی داریم. وقتی جسمی سرد به نظر میرسد، در واقع انرژی حرارتی کمتری نسبت به پوست دست ما دارد. وقتی آن را لمس می‌کنیم، انرژی حرارتی از دست ما (جسم گرم‌تر) به آن جسم (جسم سردتر) منتقل می‌شود و ما این انتقال انرژی را به صورت "سرما" احساس می‌کنیم.
این پدیده مربوط به روش انتقال گرما از طریق تابش است. رنگ‌های تیره، امواج مادون قرمز (گرما) را بهتر جذب می‌کنند. در تابستان، لباس تیره تابش خورشید را بیشتر جذب کرده و در نتیجه انرژی حرارتی بیشتری کسب می‌کند و ما احساس گرمای بیشتری می‌کنیم. برعکس، رنگ‌های روشن این تابش را بیشتر منعکس می‌کنند.
بله، اما فقط از یک راه! در خلأ، چون ماده‌ای وجود ندارد، روش‌های رسانش و همرفت نمی‌توانند اتفاق بیفتند. اما روش تابش به خوبی کار می‌کند. گرمای خورشید دقیقاً از طریق تابش و طی کردن فاصله خلأ بین زمین و خورشید به ما میرسد.
پاورقی
1 Thermal Energy
2 Temperature
3 Conduction
4 Energy Transformation
5 Atom
6 Molecule
7 Kinetic Energy
8 Convection
9 Radiation
10 Infrared Waves
11 Steam Engine
