بحث عن الطاقة الحرارية

تزداد درجة حرارة جسم أي شيء عندما تتحرك الجزيئات التي تشكل ذلك الشيء بشكل أسرع، وقد يكون هذا هو السبب الأكثر بساطة للسؤال عن سبب سخونة أي شيء.

الطاقة الحرارية هي

الحرارة هي إحدى أشكال الطاقة المختلفة التي تمتلك القدرة على تحريك الأشياء، وذلك بسبب حركة جزيئاتها .

نظرا لأن الطاقة الحرارية تتحول إلى حركة الجسيمات، فهي تشكل نوعا من الطاقة الحركية التي تنشأ بسبب الحركة، ويؤدي ذلك إلى ظهور درجة حرارة داخلية، ويمكن قياس هذه الدرجة -على سبيل المثال- بوحدات الحرارة المئوية أو الفهرنهايت، وكلما زادت سرعة حركة الجزيئات داخل نظام ما، زادت درجة الحرارة التي يمكن قياسها.

تطبيقات الطاقة الحرارية

لنلق نظرة على مثال بسيط للط”(4690)” “لنلق نظرة على مثال بسيط للطاقة الحرارية. يحتوي العنصر المسخن على الموقد على طاقة حرارية، وكلما زاد تشغيل الموقد، زادت الطاقة الداخلية التي يحتوي عليها الموقد. على المستوى الأساسي للغاية، فإن هذه الطاقة الحرارية هي حركة الجزيئات التي تشكل المعدن الخاص بعنصر الموقد. أعلم أنك لا تستطيع رؤية الجزيئات تتحرك، لكنها كذلك. كلما كانت الجزيئات أسرع، زادت الطاقة الحرارية الداخلية التي تحتويها.

الآن، دعونا نضع وعاءا من الماء على العنصر الساخن. ماذا يحدث؟ يعمل الموقد، أليس كذلك؟ حسنا، ليس تماما كما نعتقد عادة. هنا، يقصد بمصطلح `العمل` `حركة شيء ما عند تطبيق القوة`. على وجه التحديد، يؤدي الحرارة المنبعثة من الموقد إلى تحريك جزيئات الوعاء، وفي النهاية يتحرك الماء بشكل أسرع. يتم نقل الطاقة الحرارية من العنصر المسخن إلى الوعاء، وفي النهاية، ينتقل الحرارة إلى الماء داخل الوعاء. يشار إلى هذا النقل للطاقة الحرارية من الموقد إلى الوعاء ومن ثم إلى الماء.

من المهم جدًا الحفاظ على هذه الشروط مستقيمة. في هذا السياق ، الحرارة هي المصطلح الذي نستخدمه للإشارة بشكل خاص إلى نقل الطاقة الحرارية من كائن أو نظام إلى آخر ، حيث أن النقل هو المفتاح. الطاقة الحرارية هي الطاقة الموجودة داخل الجسم أو داخل النظام بسبب حركة الجزيئات. إنها مختلفة – الحرارة والطاقة الحرارية.

إذا وضعت يدك فوق الموقد ، فسوف تشعر بالحرارة، حيث تسرع الحرارة حركة الجزيئات داخل الوعاء والماء. وإذا وضعت مقياس حرارة في الماء ، فسيتمكن من قياس زيادة درجة الحرارة مع ارتفاع درجة حرارة الماء. ومرة أخرى ، فإن زيادة الطاقة الداخلية ستؤدي إلى زيادة درجة الحرارة.

الطاقة الحرارية من الاحتكاك

تأمل الحالة التي يقوم فيها الرجل بدفع الصندوق بسرعة ثابتة على سطح خشن. بسبب عدم الحفاظ على قوة الاحتكاك، لا يتم تخزين العمل المنجز كطاقة محتملة. ينتج أي عمل يقوم به قوة الاحتكاك عن نقل الطاقة إلى طاقة حرارية لنظام الصندوق والأرضية. تتدفق هذه الطاقة الحرارية كحرارة داخل الصندوق والأرضية، وتؤدي في النهاية إلى زيادة درجة حرارة كل منهما .

الطاقة الحرارية في الصناعة

تركز مجموعة الأبحاث التابعة لقسم ميكانيكا التدفق والحرارة والاحتراق في جامعة غنت على دراسة أنظمة الطاقة الحرارية الصناعية مثل دورات رانكين العضوية ومضخات الحرارة الصناعية وتكامل الحرارة وتخزين الطاقة الحرارية وشبكات التدفئة. استعادة الحرارة المهدرة وزيادة كفاءة الطاقة الصناعية تعتبر تحديات رئيسية.

الموضوعات البحثية الرئيسية

كفاءة الطاقة في أنظمة التدفئة في الصناعة واسترداد الحرارة من النفايات.

تشمل التكنولوجيا العضوية دورة Rankine ومضخات حرارة صناعية ومجتمعات حرارة وطاقة وتخزين حرارة.

الضاغط الحجمي وتصميم المتوسع.

تكامل العملية وطرق التحسين.

شبكات الحرارة والتدفئة المركزية.

يتم دراسة هذه المواضيع بنهج تجريبي وعددي مشترك، وعادة ما يتم ذلك بالتعاون مع مجموعات بحثية أخرى في الجامعة.

طاقة الحرارية ودرجة الحرارة

تتناسب الطاقة الحرارية مباشرة مع درجة حرارة النظام المحدد، حيث يتم التفاعل بين النظام والمناطق الخارجية من خلال تبادل الطاقة والمواد. نتيجة لهذه العلاقة، فإن كلما زاد عدد الجزيئات داخل النظام المحدد، زادت حركتها وزادت درجة حرارتها وطاقتها الحرارية

+ الجزيئات = + الحركة = + درجة الحرارة = + الطاقة الحرارية

كما ورد سابقا، يتوقف نظام ما على درجة حرارته لاستخدام الطاقة الحرارية، وتعتمد درجة حرارة النظام على حركة جزيئاته. وبالتالي، كلما زاد عدد الجزيئات، زادت كمية الحركة داخل النظام المحدد، مما يؤدي إلى ارتفاع درجة الحرارة والطاقة الحرارية. ولذلك، عندما تكون درجة الحرارة 0 درجة مئوية، تكون الطاقة الحرارية داخل النظام المحدد أيضا صفر. وهذا يعني أن عينة صغيرة نسبيا في درجة حرارة مرتفعة إلى حد ما، مثل فنجان من الشاي في درجة حرارة الغليان، لديها طاقة حرارية أقل من عينة أكبر، مثل حمام السباحة في درجة حرارة منخفضة. وإذا وضعنا الشاي المغلي بجوار حمام التجميد، فإن الشاي سيتجمد أولا لأنه يحتوي على طاقة حرارية أقل من حمام السباحة.

للحفاظ على تعريفات مباشرة

درجة الحرارة: تعتبر درجة الحرارة متوسط الطاقة الحركية داخل كائن ما، ويتم قياسها بثلاثة مقاييس مختلفة للحرارة وهي الفهرنهايت، المئوية، والكلفن

الطاقة الحرارية: تعرف الطاقة الحرارية على أنها مجموع الطاقات الحركية الموجودة داخل نظام محدد.

الحرارة: من المهم أن نتذكر أن الحرارة ناتجة عن تدفق الطاقة الحرارية بسبب الاختلافات في درجة الحرارة (الحرارة تتدفق من كائن في درجة حرارة أعلى إلى كائن في درجة حرارة منخفضة) ، يتم نقلها من خلال التوصيل / الحمل الحراري / الإشعاع. بالإضافة إلى ذلك ، تتدفق الطاقة الحرارية دائمًا من المناطق الأكثر دفئًا إلى المناطق الأكثر برودة.

الطاقة الحرارية وحالة المواد

توجد المادة في ثلاث حالات: عندما يتعرض قطعة معينة لتغيير الحالة من صلبة إلى سائلة أو غازية، يتم إضافة طاقة حرارية أو إزالتها، ولكن درجة الحرارة تظل ثابتة. وعندما يتم ذوبان مادة صلبة، يتم تحطيم الروابط داخل المادة الصلبة بسببالطاقة الحرارية.

الحرارة لنقل الطاقة الحرارية

يمكن إعطاء الحرارة في ثلاث عمليات مختلفة: يحدث التوصيل عندما تنتقل الطاقة الحرارية عبر تفاعل المواد الصلبة، ويحدث غالبا أثناء عملية الطهي، على سبيل المثال، يتم تسخين مقلاة معدنية عندما يغلي الماء فيها.

عادة ما يحدث نقل الحرارة في الغازات والسوائل (في حين يحدث التوصيل في المواد الصلبة بشكل أساسي)، حيث يعتمد على الفروق في درجات الحرارة. باستخدام مثال وعاء الماء المغلي، يحدث نقل الحرارة مع صعود الفقاعات إلى السطح، وبذلك ينتقل الحرارة من الأسفل إلى الأعلى. الإشعاع هو نقل الطاقة الحرارية عبر الفضاء ويتسبب في تغذية الأرض بأشعة الشمس.

يمكن تطبيق مفهوم الطاقة الحرارية في الحياة اليومية، على سبيل المثال، تعمل المحركات في السيارات والقطارات عن طريق تحويل الطاقة الحرارية إلى طاقة ميكانيكية، كما تقوم الثلاجات بنقل الطاقة الحرارية من منطقة باردة إلى منطقة دافئة.

تهدف الأبحاث العلمية الحديثة إلى تحويل الطاقة الشمسية إلى طاقة حرارية لتوليد الكهرباء والطاقة، ويستكشف مراكز البحث العلمي مثل ناسا استخدامات وتطبيقات الطاقة الحرارية لتحقيق إنتاج طاقة أكثر كفاءة. في عام 1990، استكشفت ناسا على نطاق واسع إمكانات نظام الطاقة الهجين الذي يستخدم أجهزة تخزين الطاقة الحرارية (TES) كجزء من البحث.

سيحول نظام الطاقة هذا الطاقة الشمسية إلى طاقة حرارية تستخدم بعد ذلك لإنتاج الطاقة الكهربائية والحرارة. ومع ذلك ، فقد تبين أن تحويل الطاقة الشمسية إلى طاقة حرارية أسهل بكثير وأكثر جدوى عندما لا تكون النظم في حالة توازن ديناميكي حراري. بدلاً من ذلك ، اقترح العلماء ، أن الجسم المتحرك أو السائل الجاري يمكن أن يسمح بتحويل الطاقة إلى طاقة حرارية.