گرما و انرژی درونی

در فیزیک و ترمودینامیک، گرما، انرژی جا به جا شده از یک جسم به جسم دیگر یا از ناحیه‌ای به ناحیه‌ای دیگر، طی برهم‌ کنش‌های گرمایی است. انتقال انرژی از راه‌های گوناگون مانند رسانش گرمایی، تابش، و همرفت انجام می‌شود. گرما یکی از ویژگی‌های سیستم یا جسم نیست؛ بلکه معمولاً به یک نوع فرایند مربوط است و با جریان گرما و انتقال گرما هم معنا است.

در کل، گرما انتقال انرژی از یک جسم یا از یک سامانه ترمودینامیکی به دیگری است در هنگامی که دو سامانه در دو دمای متفاوت باشند. این انرژی در اثر تماس حرارتی منتقل می‌شود. همچنین از انتقال گرما به عنوان یکی از فرایندهای بنیادی انتقال انرژی بین اجسام فیزیکی یاد می‌شود. انتقال گرما یکی از راه‌های جا به ‌جایی انرژی است که در آن کاری صورت نمی‌گیرد.

انتقال گرما یا انتقال حرارت

انتقال گرما به مکانیسم‌های مختلفی تقسیم بندی می‌شود مانند رسانش گرمایی، انتقال، تشعشع گرمایی و انتقال انرژی با تغییرات فازی. رسانش گرمایی که نفوذ نیز نامیده می‌شود یک تغییر میکروسکوپیک مستقیم انرژی جنبشی ذرات از طریق مرز بین دو سیستم است. هنگامی که یک شئ در دمایی متفاوت با جسم دیگر یا با محیط اطرافش باشد، گرما جریان می‌یابد و جسم و محیط اطراف دمای مشابه به دست می‌آورند که در این نقطه آن‌ها در تعادل گرمایی هستند. این انتقال گرما خود به خودی همیشه از ناحیه با دمای بالا به ناحیه دیگر با دمای پایین‌تر اتفاق می‌افتد که با عنوان قانون دوم ترمودینامیک است.

همرفت گرما هنگامی که جریان توده‌ای سیال (مایع یا گاز) گرما را همراه جریان ماده در سیال حمل می‌کند اتفاق می‌افتد. جریان سیال ممکن است با فرایندهای بیرونی به صورت اجباری ایجاد شود یا گاهی اوقات (در میدان‌های گرانشی) توسط نیروهای رانشی هنگامی که انرژی گرمایی سیال را منبسط می‌کند، به عنوان مثال در یک ستون آتش ایجاد شوند و باعث انتقال خود به خودی می‌شوند. فرایند دوم گاهی اوقات همرفت طبیعی نامیده می‌شود. همه فرایندهای همرفتی گرما را تا حدودی به وسیله نفوذ منتقل می‌کنند. نوع دیگری از همرفت، همرفت اجباری است. در این مورد سیال با استفاده از پمپ، توربین یا وسایل مکانیکی دیگر برای جریان یافتن تحت اجبار قرار می‌گیرد.

شکل نهایی عمده انتقال گرما با تابش است که در هر محیط شفافی (جامد یا سیال) اتفاق می‌افتد اما ممکن است حتی در خلاء (مانند هنگامی که خورشید زمین را گرم می‌کند) نیز اتفاق بیفتد. تابش نوعی انتقال انرژی در فضای خالی به وسیله موج‌های الکترومغناطیسی است که به همان روشی که امواج الکترومغناطیسی نوری، نور را منتقل می‌کنند صورت می‌ پذیرد و همان قوانینی که انتقال نور را پوشش می‌دهند انتقال گرمای تابشی را نیز پوشش می‌دهند.

انرژی درونی

هر ماده از ذرات بی شماری ساخته شده است و هر ذره مقداری انرژی دارد. به مجموعه انرژی‌های ذرات سازنده هر ماده انرژی درونی آن ماده می‌گویند. هر چه ذرات سازنده ماده بیشتر و انرژی هر ذره آن زیادتر باشد. انرژی درونی آن ماده بیشتر است. انرژی درونی هر ماده، هم به انرژی جنبشی ذرات آن ماده (یعنی سرعت حركت آن‌ها) و هم به انرژی پتانسیل (ذخیره شده) ذرات سازنده‌ی آن ماده بستگی دارد. انرژی پتانسیل هر یك از ذرات سازنده هر ماده در اثر نیرویی كه از طرف ذرات اطراف به آن وارد می‌شود، به وجود می‌آید.

هنگامی كه یك جسم گرم در كنار یك جسم سرد قرار می‌گیرد، مقداری انرژی از جسم گرم به جسم سرد منتقل می‌شود. در واقع گرما، مقدار انرژی منتقل شده از جسم گرم به جسم سرد است. در اثر انتقال گرما از جسم گرم به جسم سرد، انرژی درونی جسم گرم كاهش و انرژی درونی جسم سرد افزایش می‌یابد. در ترمودینامیک، انرژی درونی به انرژی ذرات سازنده مواد اطلاق می‌شود که با  U یا  E نشان داده می‌شود. بالا رفتن انرژی درونی به دو صورت تغییر دما یا فاز ماده ظاهر می‌شود. واحد انرژی درونی در سیستم SI، ژول است. اگر نیروی داخلی یک عضو تنشی بیشتر از تنش مجاز عضو مربوطه باشد عضو توان خود را از دست داده و دچار گسیختگی می‌شود. البته نسبت به میزان نیرو می‌تواند گسیختگی الاستیک یا گسیختگی پلاستیک باشد.

دما و گرما

گرما و دما دو كمیت مرتبط به یكدیگر هستند، اما این به معنای آن نیست كه گرما و دما یك كمیت و یك معنا هستند. دمای یك جسم در واقع نشان دهنده‌ی سرعت حركت ذرات تشكیل دهنده آن است. هر چه سرعت حركت ذرات یك ماده بیشتر باشد دمای آن جسم بالاتر است. به همین دلیل می‌توان گفت كه افزایش دمای یك جسم به معنی افزایش انرژی جنبشی ذرات آن جسم می‌باشد.

مرکز یادگیری سایت تبیان - تهیه: مرتضی عرفانیان

تنظیم: مریم فروزان کیا