انرژی گرمایی چیست؟ | به زبان ساده

یکی از شکل‌های انرژی، انرژی گرمایی است. در این نوشتار انرژی گرمایی را مورد بررسی قرار می‌دهیم. همچنین در مورد روابط حاکم و معادلات انرژی گرمایی صحبت کرده و منابع و کاربردهای انرژی گرمایی را معرفی می‌کنیم.

انرژی گرمایی چیست ؟

انرژی حرارتی یا گرمایی به انرژی موجود در سیستم گفته می‌شود که مسئول دمای جسم است. گرما جریان انرژی گرمایی یا حرارتی است. یک شاخه کامل از فیزیک یعنی ترمودینامیک، به نحوه انتقال گرما بین سیستم‌های مختلف و نحوه انجام کار در این فرآیند می‌پردازد.

فیلم آموزش علوم تجربی – پایه هفتم در فرادرس

کلیک کنید

در مسائل مکانیکی نیز معمولاً نقش انرژی گرمایی را در بررسی روابط مربوط به بقای انرژی بررسی می‌کنیم. تقریباً هر انتقال انرژی که در سیستم‌های فیزیکی دنیای واقعی صورت می‌گیرد با بازدهی کمتر از $$100\%$$ رخ می‌دهد و منجر به تولید مقداری انرژی گرمایی می‌شود.

این انرژی معمولاً به صورت انرژی گرمایی سطح پایین است. در اینجا سطح پایین به این معنی است که دمای مرتبط با انرژی گرمایی نزدیک به دمای محیط است. انجام کار در یک سیستم تنها زمانی امکان‌پذیر است که در آن سیستم اختلاف دما وجود داشته باشد بنابراین انرژی گرمایی سطح پایین نشان دهنده انتهای جاده انتقال انرژی است و در نتیجه انجام کار مفید دیگر امکان‌پذیر نیست. این انرژی در نهایت به عنوان انرژی اتلاف شده به محیط باز می‌گردد.

فرمول انرژی گرمایی چیست؟

انرژی حرارتی انرژی تولید شده از گرما است. این گرما با حرکت ذرات کوچک درون یک جسم تولید می‌شود. هرچه ذرات سریعتر حرکت کنند گرمای بیشتری نیز تولید می‌شود. انرژی حرارتی مسئول دمای سیستم و بخشی از کل انرژی سیستم است که مجموع انرژی پتانسیل و انرژی جنبشی است.

انرژی گرمایی معمولاً با Q نشان داده می‌شود. این کمیت مستقیماً با جرم ماده، اختلاف دما و گرمای ویژه متناسب است. واحد SI انرژی حرارتی ژول (J) است و توسط رابطه زیر محاسبه می‌شود:

$$\large Q=mc\Delta T$$

فیلم آموزش فیزیک پایه دهم – فیزیک 1 در فرادرس

کلیک کنید

که در رابطه بالا Q انرژی گرمایی، m جرم عنصر مورد نظر، c گرمای ویژه که برای هر جسم مقدار مشخصی دارد و $$\Delta T$$ اختلاف دما است. قبل از حل مثال با استفاده از این رابطه باید گفت گرمای ویژه مقدار گرمای مورد نیاز در واحد جرم هر جسم برای افزایش درجه حرارت یک درجه سانتیگراد است.

پرسش: انرژی حرارتی ماده‌ای را تعیین کنید که جرم آن 6 کیلوگرم و گرمای ویژه آن $$c=0.030 \mathrm{~J} / \mathrm{kg}^{\circ} \mathrm{C}$$ باشد. تغییرات دمای این سیستم 20 درجه سانتی گراد است.

پاسخ: با توجه به جرم و گرمای ویژه داده شده و اختلاف دمای 20 درجه سانتی‌گراد، انرژی گرمایی جسم برابر است با:

$$\large \begin{aligned} Q &=m c \Delta T \\ &=6 \times 0.030 \times 20 \\ Q &=3.6 \mathrm{~J} \end{aligned}$$

پرسش: یک ماده 5 کیلوگرمی تحت اختلاف دما 60 درجه سانتیگراد قرار می‌گیرد که گرمای ویژه آن $$c=0.070 \mathrm{~J} / \mathrm{kg}^{\circ} \mathrm{C}$$ است انرژی حرارتی را برای این جسم تعیین کنید.

پاسخ: با توجه به اینکه جرم جسم 5 کیلوگرم و گرمای ویژه آن $$c=0.070 \mathrm{~J} / \mathrm{kg}^{\circ} \mathrm{C}$$ است و در اختلاف دمای 60 درجه سانتی‌گراد قرار گرفته است، با استفاده از رابطه انرژی گرمایی داریم:

$$\large \begin{aligned} Q &=m c \Delta T \\ &=5 \times 0.070 \times 60 \\ Q &=21 \mathrm{~J} \end{aligned}$$

انرژی گرمایی چگونه تولید می‌شود؟

انرژی گرمایی زمانی تولید می‌شود که اتم‌ها و مولکول‌های درون یک ماده سریع‌تر از حالت معمول حرکت می‌کنند. این حرکت سریع‌تر به دلیل بالا رفتن دمای ماده ایجاد می‌شود و سبب تولید گرما می‌شود. در نتیجه هر چه دمای جسمی بالاتر باشد انرژی حرارتی آن نیز بالاتر است.

روش‌های انتقال گرما چیست؟

گرما همواره از جسم با دمای بالاتر به جسم با دمای پایین تر منتقل می‌شود. انتقال گرما از سه روش صورت می‌گیرد که عبارتند از:

• رسانش که شامل انتقال انرژی گرمایی از یک جسم به جسم دیگری است که با آن در تماس است.
• انتقال همرفت که در آن انرژی گرمایی توسط یک سیال مانند آب یا هوا منتقل می‌شود.
• تابش که در این فرآیند انرژی گرمایی توسط امواج الکترومغناطیسی منتقل می‌شوند.

برای آشنایی بیشتر با روش‌های انتقال گرما مطلب روش های انتقال گرما — به زبان ساده را مطالعه کنید.

انرژی حرارتی چیست؟

نام دیگر انرژی گرمایی، انرژی حرارتی است و غیر از نام این دو انرژی هیچ تفاوتی با هم ندارند.

انرژی گرمایی ناشی از اصطکاک

مثالی را در نظر بگیرید که مردی جعبه‌ای را با سرعت ثابت از یک سطح ناهموار عبور می‌دهد این موضوع در شکل (3) نشان داده شده است. از آنجا که نیروی اصطکاک نیروی ناپایستار است، کار انجام شده به عنوان انرژی پتانسیل در جسم ذخیره نمی‌شود.

تمام کاری که توسط نیروی اصطکاک انجام می‌شود منجر به تبدیل انرژی به انرژی گرمایی سیستم کف و جعبه می‌شود. این انرژی حرارتی به صورت گرما درون جعبه و کف جریان می‌یابد و در نهایت باعث افزایش دمای این اجسام می‌شود.

برای پیدا کردن تغییرات انرژی گرمایی کل یعنی $$\Delta E_{T}$$ سیستم جعبه-سطح، می‌توان کل کار انجام شده توسط اصطکاک را در حالی که فرد جعبه را روی سطح می‌کشد محاسبه کرد.

با توجه به اینکه جعبه با سرعت ثابت بر روی سطح در حال حرکت است یعنی مقدار نیروی اعمال شده از طرف فرد و نیروی اصطکاک با هم برابر هستند زیرا حرکت جعبه بر روی سطح با شتاب صفر در حال انجام است.

بدین ترتیب با توجه به اینکه رابطه کار انجام شده برابر با حاصلضرب نیرو در جابه‌جایی است و مقدار دو نیرو با هم برابر هستند، پس کار انجام شده توسط نیروی اصطکاک و نیرویی که فرد با آن جعبه را هل می‌دهد نیز برابر خواهد بود.

با استفاده از تعریف کار انجام شده توسط نیرویی موازی با جهت حرکت جسمی که فاصله $$d$$ را طی می‌کند، داریم:

$$\large W=F.d$$
$$\large \Delta E_{T}=F_{\text {friction }} \cdot d$$

اگر ضریب اصطکاک جنبشی را برابر با $$\mu_{k}$$ در نظر بگیریم، رابطه انرژی گرمایی به صورت زیر نوشته می‌شود:

$$\large \Delta E_{T}=\mu_{k}F_{n} d$$

در رابطه بالا $$F_{n}$$ نیروی عمود بر سطح است که برای مطالعه بیشتر در مورد این نیرو مطلب نیروی عمودی سطح — به زبان ساده را مطالعه کنید.

پرسش: فرض کنید شخصی که در تصویر (3) نشان داده‌ایم جعبه را با سرعت ثابت هل می‌دهد. جعبه دارای جرم 100 کیلوگرم است و مسافتی برابر با 100 متر را طی می‌کند. همچنین ضریب اصطکاک جنبشی بین جعبه و کف برابر با $$\mu_{k}=0.3$$ است. با توجه به این مقادیر چه مقدار انرژی گرمایی به سیستم جعبه و کف منتقل می‌شود؟

پاسخ: با در نظر گرفتن اینکه جعبه سرعت ثابت دارد و حرکت شتابدار نیست و جهت اعمال نیرو و جابه‌جایی موازی یکدیگر است. مقدار نیرویی که شخص وارد می‌کند برابر با نیروی اصطکاک است. اگر این نیرو در طول مسیر گفته شده اعمال شود تغییرات انرژی گرمایی جعبه و سطح برابر است با:

$$\large \begin{aligned} \Delta E_{T} &=0.3 \cdot 9.81 \mathrm{~m} / \mathrm{s}^{2} \cdot 100 \mathrm{~kg} \cdot 100 \mathrm{~m} \\ &=29.43 \mathrm{~kJ} \end{aligned}$$

پرسش: هنگامی که فرد جعبه را روی زمین می‌کشد نیروی اصطکاک بین کف کفش او و زمین برقرار است، با توجه به این موضوع آیا تغییری در انرژی حرارتی کفش‌های شخص ایجاد می‌شود؟