مصدر الطاقة الحرارية

الطاقة

الطاقة: هي القدرة على القيام بشغل ما، وفي مضمون العلوم الطبيعية يمكن أن توجد الطاقة بعدة أشكال، مثل الطاقة الحرارية، والكهربائية، والحركية، والنووية، والميكانيكية، والكيميائية. وتمثل مصطلحات الطاقة تفسيراً للعديد من الظواهر الطبيعية مثل الرياح، والأعاصير، والمطر، والبرق، عبر التحولات التي تحدث للطاقة التي تطلقها الشمس إلى الأرض، وتعد الطاقة من مقوّمات استمرار أشكال الحياة على كوكب الأرض، حيث يتم عن طريقها اكتمال عملية التمثيل الضوئي في النبات والتي تتشكل نتيجة تحوّل الطاقة الشمسية إلى طاقة كيميائية، ويتم الاستفادة من هذه الطاقة الكيميائية في عمليات الاستقلاب في أجسام الكائنات الحية غيرية التغذية، كما تعد الطاقة الأساس الذي تقوم عليه كافة قطاعات المجتمع والأنشطة الصناعية المختلفة، فهي التي تعمل على تشغيل المصانع وتحريك وسائل النقل المختلفة وتشغيل أدوات وأجهزة المنزل المختلفة. على سبيل المثال تُساهم الطاقة الحرارية في المحرّكات البخارية بتحويل الطاقة الكيميائية في الوقود إلى طاقة ميكانيكية، وتساهم الطاقة النووية التي تنتج عن الانشطار النووي في توليد البخار الذي يدير المولدات الكهربائية أو محركات السفن والغوّاصات.

الطاقة الحرارية

تنتقل الطاقة من جسم لآخر بسبب الفرق في درجة الحرارة بينهما، وهذا الشكل من أشكال انتقال الطاقة يعبر عن كمية الحرارة التي تدخل أو تخرج من الجسم، وبذلك يمكن اعتبار الحرارة شكلاً من أشكال الطاقة وهي ما تعرف باسم الطاقة الحرارية، ويمكن تعريف الطاقة الحرارية بأنها الطاقة التي يمتلكها جسم أو نظام بسبب حركة الجسيمات والجزيئات داخل هذا الجسم أو النظام، كما أنها توصف بأنها قدرة شيء ما على العمل بسبب حركة جزيئاته. وتعد الطاقة الحرارية واحدة من أهم أنواع الطاقة المختلفة، والصورة الأساسية التي يمكن أن تتحول كل صور الطاقة إليها، وتمثل الطاقة الحرارية نوعاً من أنواع الطاقة الحركية؛ لأنها تنتج بسبب حركة الجسيمات والجزيئات في المادة، فعند تشغيل الآلات المختلفة باستخدام الوقود الهيدروكربوني يتم في البداية حرق الوقود للحصول على طاقة حرارية، وتتحول بعد ذلك إلى طاقة ميكانيكية أو إلى أي نوع من أنواع الطاقة المختلفة، ويتناسب مقدار الطاقة الحرارية في المادة تناسباً طردياً مع حركة الجزيئات، بحيث كلما زادت الطاقة الحركية للجسيمات زادت الطاقة الحرارية التي تمتلكها المادة. وتدخل الطاقة الحرارية في تحولات الطاقة المختلفة مثل الطاقة التي تنتج عن الاندماج النووي في الشمس، والتي تتحول إلى طاقة حرارية، وكهربائية، وضوئية، كما أنها تعد الأساس الذي تقوم عليه الأنشطة البشرية، والحيوانية، والنباتية، وينتج عن انشطار نواة ذرة اليورانيوم في الأنشطة النووية كمية هائلة من الطاقة على شكل حرارة. وفي الحقيقة لا تتوافر الطاقة الحرارية في الطبيعية بصورة مباشرة إلا في حرارة مصادر المياه الجوفية التي تولدها الحركات المختلفة في باطن الأرض، ويمكن الاستفادة من الطاقة الحرارية من أشعة الشمس عبر تحويل الطاقة الإشعاعية إلى طاقة حرارية.

مصادر الطاقة الحرارية

تعد الطاقة الحرارية واحدة من أهم أنواع الطاقة المختلفة والصورة الأساسية التي يمكن أن تتحول كل صور الطاقة إليها، وتتنوع المصادر التي يمكن عن طريقها الحصول على الطاقة الحرارية، ونذكر فيما يأتي أهم هذه المصادر:

• التفاعلات الكيميائية: (بالإنجليزية: Chemical Reaction)، تعد التفاعلات بين العناصر الكيميائية المختلفة إحدى أهم مصادر الطاقة الحرارية، حيث ينتج عن تفاعل مادتين أو أكثر مع بعضها البعض إطلاق أو امتصاص للطاقة الحرارية. على سبيل المثال يحترق الوقود الكيميائي عند حدوث تفاعل كيميائي بين الأكسجين والوقود، وبالتالي يحدث إطلاق للطاقة الحرارية.
• الطاقة الميكانيكية: (بالإنجليزية: Mechanical Energy)، في بعض الأحيان تنتج الطاقة الحرارية بفعل تحوّل الطاقة الميكانيكية إلى حرارة، وتتولد الطاقة الميكانيكية نتيجة تصادم الأجسام أو احتكاكها الداخلي أو الخارجي. على سبيل المثال يتسبب احتكاك اليدين ببعضهما البعض في الأوقات الباردة إلى تولّد طاقة حرارية تساهم في رفع درجة حرارتهما.
• الطاقة الكهربائية: (بالإنجليزية: Electrical Energy) ينتج عن سريان التيار الكهربائي في سلك مقاوم ارتفاع حرارة هذا السلك نتيجة تصادم واحتكاك الشحنات مع بعضها البعض، وبالتالي حدوث تحوّل للطاقة الكهربائية إلى طاقة حرارية.
• الطاقة النووية: (بالإنجليزية: Nuclear Energy)، تحدث التفاعلات النووية بسبب انشطار أو اتحاد نوى المواد المتفاعلة، نتيجة لذلك يحدث تحوّل لجزء صغير من المادة إلى طاقة، وتمثل هذه الطاقة كمية هائلة من الطاقة الحرارية. ومثال ذلك التفاعلات النووية التي تحدث في الشمس.
• الطاقة الشمسية: (بالإنجليزية: Solar Energy)، تمثل الطاقة الشمسية إحدى أنواع الطاقة النووية، لأن الحرارة التي تطلقها الشمس ناتجة عن تفاعل نووي أدى إلى إطلاق كمية هائلة من الطاقة الحرارية، وهذه الطاقة تصل إلى كوكب الأرض على شكل أشعة، والتي بدورها تساهم بشكل أساسي في استمرار مظاهر الحياة على الأرض.
• الحرارة في باطن الأرض: تتولد الطاقة الحرارية في باطن الأرض بسبب إطلاق الطاقة الناتجة عن التحلل الإشعاعي للعناصر المشعّة بشكل مستمر، بالإضافة إلى وجود الطاقة الحرارية المتبقية منذ بداية تشكُّل كوكب الأرض منذ ملايين السنين، وتزداد الحرارة مع زيادة العمق بحيث يبلغ معدل الزيادة ما يقارب 25 درجة مئوية لكل كيلومتر واحد، وتنتقل هذه الحرارة باستمرار من طبقة الوشاح في أعماق الأرض إلى الطبقات السطحية من القشرة عن طريق التدخلات النارية.

أنواع أوساط انتقال الطاقة الحرارية

تنتقل الطاقة الحرارية من المصدر إلى المادة عبر ثلاثة أوساط مادية مختلفة، ونذكر فيما يأتي هذه الأوساط:

• الوسط الحراري الشفاف: ويمثل الوسط الذي يسمح بنفاذ واختراق الإشعاعات الحرارية.
• الوسط نصف الشفاف: وهو الوسط الذي لا يسمح بنفاذ جميع الإشعاعات الحرارية، بحيث يسمح باختراق نسبة معينة من الإشعاعات الحرارية الساقطة عليه، ويستخدم هذا الوسط بشكل كبير في تشييد البيوت البلاستيكية التي تستخدم في زراعة بعض المحاصيل الزراعية، وتتكوّن هذه البيوت من طبقة زجاجية تسمح بنفاذ بعض الإشعاعات الحرارية الساقطة عليها.
• الوسط المعتم حرارياً: وهو الوسط الذي يمنع نفاذ الإشعاعات الحرارية عبره، بل يقوم بامتصاص معظمها بواسطة الأجسام الساخنة المحيطة به، ويؤدي ذلك إلى ارتفاع درجة حرارته وبالتالي زيادة الطاقة الداخلية فيه، وتتحول هذه الطاقة إلى طاقة حرارية لتصبح مصدراً لانبعاثات الإشعاعات الحرارية.