موقع المهندس موقع المهندس بيت كل مهندس الديناميكا الحرارية: هي فرع من الفيزياء ينظم العلاقة بين الحرارة والأشكال الأخرى من الطاقة، بالتحديد، يصف تحولات الطاقة الحرارية من وإلى حالات أخرى من الطاقة وكيف تؤثر على المادة. والطاقة الحرارية هي الطاقة التي تملكها المادة أو نظام من المواد نسبة إلى درجة حرارتها (الطاقة الحركية الاهتزازية لجزيئات تلك المادة).
تتضمن الديناميكا الحرارية قياس هذه الطاقة والتي تعتبر عملية ”معقدة للغاية” كما وصفها ”David McKee” بروفيسور الفيزياء في جامعة ولاية ميسوري الجنوبية، ”إن نظامًا من المواد التي نقوم بدراستها في الديناميكا الحرارية يتألف من أعداد كبيرة جدًا من الذرات والجزيئات المتفاعلة مع بعضها بطرق معقدة جدًا، لكن إذا حققت هذه النظم من المواد المعايير الصحيحة والتي تسمى ”التوازن”، فسيمكن وصفها بعدد صغير جدًا من القياسات والأرقام. التوصيف الأمثل غالبًا ما يتمثل بكتلة المادة، ضغط المادة، وحجم المادة، ثلاثة أرقام صغيرة تصف ما يصل الى1026 أو 1030 من الجسيمات الحرة!”.
الحرارة:
تعنى الديناميكا الحرارية بالعديد من خصائص المادة، تأتي في المقام الأولى منها ”الحرارة”، فالحرارة هي طاقة انتقلت بين المواد أو نظم المواد بسبب الاختلاف بينهم في درجة الحرارة، وباعتبار الحرارة”طاقة”، فإنها تتبع لقانون حفظ الطاقة، أي”الحرارة لا تفنى ولا تستحدث من العدم، وإنما تتحول من شكل لآخر”.
يمكن للحرارة الانتقال من شكل لآخر، مثلا: توربينات البخار يمكنها تحويل الحرارة إلى طاقة ميكانيكية لتشغيل المولد الكهربائي، الذي بدوره يحول الطاقة الميكانيكية إلى طاقة كهربائية، ثم يقوم المصباح الكهربائي بتحويل هذه الطاقة الكهربائية إلى إشعاع كهرومغناطيسي (الضوء)، الذي عندما يتم امتصاصه من قبل السطح يتحول مرة أخرى إلى حرارة.
درجة الحرارة:
وهي قياس لمعدل الطاقة الحركية للجسيمات في عينة من المادة، يعبر عنها بمصطلحات، ”وحدات” أو”درجات”، ثابتة ومحددة بمقياس معياري ثابت.
وفقا لقاموس التراث الأمريكي (American Heritage Dictionary) فإن مقياس الحرارة الأكثر استعمالا هو مقياس سيليسيوس الذي يعتمد على نقاط تجمد وغليان الماء تحت تأثير الضغط الجوي، وتعيين درجة التجمد الخاصة به 0 سيليسيوس ودرجة الغليان 100 سيليسيوس، إضافة إلى مقياس فهرنهايت الذي يعتمد على نقاط التجمد والغليان أيضا، بدرجة تجمد 32 فهرنهايت ودرجة غليان تصل إلى 212 فهرنهايت.
ومع ذلك فإن العديد من العلماء يستخدمون مقياس كلفن (Kelvin)، والذي تم اعتماده بسبب جودة التعامل معه في العمليات الحسابية إضافة إلى انه يستخدم التزايد نفسه الموجود في مقياس سيليسيوس، أي التغير في درجة الحرارة لل 1 سيليسيوس هو نفسه التغير في درجة الحرارة لل 1 كلفن.
يبدأ مقياس كلفن بالصفر المطلق، أي عندما يكون هناك انعدام كامل للطاقة الحرارية والحركة الجزيئية تكون متوقفة، يساوي الصفر المطلق لمقياس كلفن ما مقداره -459.67 F و -273.15 C.
الحرارة النوعية:
تقاس كمية الحرارة المطلوبة لزيادة درجة الحرارة لكتلة معينة من المادة بكمية معينة تسمى”الحرارة النوعية”، أو ”السعة الحرارية النوعية”، وحدة القياس التقليدية للحرارة النوعية هي السعرة الحرارية (Calorie) لكل غرام لكل كلفن، يتم تعريف السعرة الحرارية على أنها كمية الحرارة المطلوبة لزيادة غرام واحد من الماء عند درجة 4 C بمقدار درجة واحدة.
الحرارة النوعية للمعادن تعتمد تقريبا بشكل كامل على عدد الذرات في المادة (ليس الكتلة)، كمثال، يمكن لكيلوغرام من الألومنيوم استيعاب كمية حرارة أكبر ب 7 مرات من الحرارة التي يمكن لكيلوغرام من الرصاص استيعابها، ومع ذلك، فإن ذرة الرصاص يمكنها استيعاب حرارة بنسبة 8% أكثر من الحرارة التي يمكن لذرة الألمنيوم استيعابها، كما يمكن لكتلة من الماء استيعاب 5 أضعاف من الحرارة ما يمكن للكتلة نفسها من الألمنيوم استيعابه.
الناقلية الحرارية: (K)
وهو المعدل الذي تنتقل فيه كل حريرة عبر مادة محددة، يعبر عنها بأنها كمية الحرارة التي تنتقل خلال وحدة من الزمن عبر وحدة المسافة مع تدرج في درجة الحرارة بدرجة واحدة لكل وحدة مسافة.
الوحدة الدولية للناقلية الحرارية هي واط (watts) لكل متر لكل كلفن، قيمة الناقلية الحرارية لكل من معدني النحاس والفضة عالية جدًا تصل إلى 401 و 428 W/m*k، مما يجعل هذه المعادن مفيدة لمشعات السيارات و زعانف التبريد لرقائق الحواسيب بسبب قدرتها على امتصاص الحرارة ونقلها بسرعة وتبديلها مع الحرارة المحيطة، كما أن أعلى ناقلية حرارية ممكنة يصل اليها الألماس بقيمة تصل إلى 2200 W/m*k.
بعض المواد الأخرى تعتبر مفيدة بسبب ناقليتها الضعيفة جدًا، تستخدم هذه المواد في المقاومات الحرارية، مثلا، بعض المواد العازلة كالصوف الصخري، ريش الوز، والستايروفوم المستخدم في صناعة الجدران العازلة، المعاطف الشتوية، وأكواب القهوة الحرارية.
