في الفيزياء ، يرتبط مفهوم "الحرارة" بنقل الطاقة الحرارية بين الأجسام المختلفة. بسبب هذه العمليات ، يحدث تسخين وتبريد الأجسام ، وكذلك تغيير في حالات تجميعها. دعونا نفكر بمزيد من التفصيل في مسألة ما هي الحرارة
مفهوم المفهوم
ما هي الحرارة؟ يمكن لكل شخص أن يجيب على هذا السؤال من وجهة نظر يومية ، بمعنى أنه بموجب المفهوم قيد النظر ، الأحاسيس التي يشعر بها عندما ترتفع درجة الحرارة المحيطة. في الفيزياء ، تُفهم هذه الظاهرة على أنها عملية نقل الطاقة المرتبطة بتغير في شدة الحركة الفوضوية للجزيئات والذرات التي تشكل الجسم.
بشكل عام ، يمكننا القول أنه كلما ارتفعت درجة حرارة الجسم ، زادت الطاقة الداخلية المخزنة فيه ، وزادت الحرارة التي يمكن أن تعطيها للأشياء الأخرى.
الحرارة ودرجة الحرارة
بمعرفة الإجابة على سؤال ما هي الحرارة ، قد يعتقد الكثير أن هذا المفهوم مشابه لمفهوم "درجة الحرارة" ، لكنه ليس كذلك. الحرارة هي طاقة حركية ، ودرجة الحرارة مقياس لذلكطاقة. إذن ، فإن عملية انتقال الحرارة تعتمد على كتلة المادة ، وعدد الجسيمات التي تتكون منها ، وكذلك على نوع هذه الجسيمات ومتوسط سرعة حركتها. في المقابل ، تعتمد درجة الحرارة فقط على آخر المعلمات المدرجة.
يسهل فهم الفرق بين الحرارة ودرجة الحرارة إذا أجريت تجربة بسيطة: تحتاج إلى صب الماء في وعاءين بحيث يمتلئ أحدهما والآخر نصفه فقط. عند وضع كلتا الوعاءين على النار ، يمكن للمرء أن يلاحظ أن الوعاء الذي يوجد فيه كمية أقل من الماء يبدأ في الغليان أولاً. لكي يغلي الوعاء الثاني ، سوف يحتاج إلى مزيد من الحرارة من النار. عندما يغلي كلتا الأوعية ، يمكنك قياس درجة حرارتها ، وستكون هي نفسها (100oC) ، ولكن هناك حاجة إلى مزيد من الحرارة لوعاء كامل لغلي الماء فيه.
وحدات حرارية
وفقًا لتعريف الحرارة في الفيزياء ، يمكن للمرء أن يخمن أنه يقاس بنفس وحدات الطاقة أو الشغل ، أي بالجول (J). بالإضافة إلى الوحدة الرئيسية للتدفئة ، يمكنك كثيرًا في الحياة اليومية أن تسمع عن السعرات الحرارية (كيلو كالوري). يُفهم هذا المفهوم على أنه كمية الحرارة التي يجب نقلها إلى جرام واحد من الماء بحيث ترتفع درجة حرارته بمقدار 1 كلفن (كلفن). السعرات الحرارية الواحدة تساوي 4.184 ج.يمكنك أيضًا أن تسمع عن السعرات الحرارية الكبيرة والصغيرة ، وهي 1 كيلو كالوري و 1 كالوري على التوالي.
مفهوم السعة الحرارية
بمعرفة ماهية الحرارة ، دعنا نفكر في الكمية المادية التي تميزها مباشرة - السعة الحرارية. تحت هذا المفهوم ،الفيزياء تعني كمية الحرارة التي يجب أن تُعطى أو تؤخذ من الجسم حتى تتغير درجة حرارته بمقدار 1 كلفن (K).
السعة الحرارية لجسم معين تعتمد على عاملين رئيسيين:
- على التركيب الكيميائي وحالة التجميع التي يتم تقديم الجسم فيها ؛
- من كتلته
لجعل هذه الخاصية مستقلة عن كتلة الجسم ، تم إدخال كمية أخرى في فيزياء الحرارة - السعة الحرارية المحددة ، والتي تحدد كمية الحرارة المنقولة أو المأخوذة بواسطة جسم معين لكل 1 كجم من كتلته عندما تتغير درجة الحرارة بمقدار 1 ك.
لإظهار الفرق بوضوح في السعات الحرارية النوعية للمواد المختلفة ، على سبيل المثال ، خذ 1 جرام من الماء و 1 جرام من الحديد و 1 جرام من زيت عباد الشمس وقم بتسخينهم. ستتغير درجة الحرارة بشكل أسرع بالنسبة لعينة الحديد ، ثم لتساقط الزيت ، وتستمر الحرارة.
لاحظ أن السعة الحرارية المحددة لا تعتمد فقط على التركيب الكيميائي للمادة ، ولكن أيضًا على حالة التجميع ، وكذلك على الظروف الفيزيائية الخارجية التي يتم اعتبارها بموجبها (ضغط ثابت أو حجم ثابت)
المعادلة الرئيسية لعملية نقل الحرارة
بعد التعامل مع السؤال عن ماهية الحرارة ، يجب على المرء أن يعطي التعبير الرياضي الرئيسي الذي يميز عملية انتقالها لأي أجسام في أي حالة تجميع. هذا التعبير له الشكل: Q=cmΔT ، حيث Q هي كمية الحرارة المنقولة (المستلمة) ، c هي الحرارة النوعية للجسم المعني ، م -كتلته ، ΔT هو التغير في درجة الحرارة المطلقة ، والتي تُعرّف على أنها الاختلاف في درجات حرارة الجسم في نهاية عملية نقل الحرارة وفي بدايتها.
من المهم أن نفهم أن الصيغة المذكورة أعلاه ستكون صالحة دائمًا عندما يحتفظ الكائن ، أثناء العملية قيد الدراسة ، بحالة التجميع ، أي أنه يظل سائلًا أو صلبًا أو غازيًا. خلاف ذلك ، لا يمكن استخدام المعادلة.
تغيير في حالة تجميع المادة
كما تعلم ، هناك 3 حالات مجمعة رئيسية يمكن أن تكون فيها المسألة:
- غاز ؛
- سائل
- جسم صلب.
من أجل حدوث انتقال من حالة إلى أخرى ، من الضروري أن يقوم الجسم بإبلاغ أو إزالة الحرارة منه. لمثل هذه العمليات في الفيزياء ، تم تقديم مفاهيم درجات الحرارة المحددة للذوبان (التبلور) والغليان (التكثيف). كل هذه الكميات تحدد مقدار الحرارة المطلوبة لتغيير حالة التجمع الذي يطلق أو يمتص 1 كغم من وزن الجسم. بالنسبة لهذه العمليات ، تكون المعادلة صحيحة: Q=Lm ، حيث L هي الحرارة المحددة للانتقال المقابل بين حالات المادة.
فيما يلي الملامح الرئيسية لعمليات تغيير حالة التجميع:
- تتم هذه العمليات عند درجة حرارة ثابتة ، مثل الغليان أو الذوبان.
- يمكن عكسها. على سبيل المثال ، كمية الحرارة التي يمتصها جسم معين ليذوب ستكون مساوية تمامًا لكمية الحرارة التي سيتم إطلاقها في البيئة إذا مر هذا الجسم مرة أخرىإلى الحالة الصلبة.
التوازن الحراري
هذه مسألة مهمة أخرى تتعلق بمفهوم "الدفء" والتي يجب أخذها في الاعتبار. إذا تم الاتصال بجسمين بدرجات حرارة مختلفة ، فبعد فترة من الوقت سوف تتساوى درجة الحرارة في النظام بأكمله وتصبح كما هي. لتحقيق التوازن الحراري ، يجب على الجسم ذي درجة الحرارة المرتفعة أن يبعث الحرارة للنظام ، والجسم ذو درجة الحرارة المنخفضة يجب أن يقبل هذه الحرارة. يمكن التعبير عن قوانين فيزياء الحرارة التي تصف هذه العملية كمجموعة من معادلة نقل الحرارة الرئيسية والمعادلة التي تحدد التغيير في الحالة الكلية للمادة (إن وجدت).
مثال صارخ على عملية الإنشاء التلقائي للتوازن الحراري هو قضيب حديدي ساخن أحمر يتم إلقاؤه في الماء. في هذه الحالة ، ستطلق المكواة الساخنة الماء حتى تصبح درجة حرارته مساوية لدرجة حرارة السائل.
الطرق الأساسية لنقل الحرارة
جميع العمليات المعروفة للإنسان والتي تترافق مع تبادل الطاقة الحرارية تحدث بثلاث طرق مختلفة:
- التوصيل الحراري. لكي يحدث التبادل الحراري بهذه الطريقة ، من الضروري الاتصال بين جسمين بدرجات حرارة مختلفة. في منطقة التلامس على المستوى الجزيئي المحلي ، تنتقل الطاقة الحركية من الجسم الساخن إلى الجسم البارد. يعتمد معدل انتقال الحرارة هذا على قدرة الأجسام المعنية على إجراء الحرارة. مثال صارخ على التوصيل الحراري هولمس الإنسان لقضيب معدني.
- الحمل الحراري. تتطلب هذه العملية حركة المادة ، لذلك يتم ملاحظتها فقط في السوائل والغازات. جوهر الحمل الحراري هو كما يلي: عندما يتم تسخين طبقات الغاز أو السائل ، تقل كثافتها ، لذلك تميل إلى الارتفاع. أثناء ارتفاع حجم السائل أو الغاز ، يقومون بنقل الحرارة. مثال على الحمل الحراري هو عملية غليان الماء في غلاية
- إشعاع. تحدث عملية نقل الحرارة هذه بسبب انبعاث الإشعاع الكهرومغناطيسي بترددات مختلفة بواسطة جسم ساخن. ضوء الشمس هو مثال رئيسي للإشعاع.
