انرژی گرمایی چیست؟ – کاربردهای آن کدامند؟

دمایی که جسم دارد انرژی است که در سیستم وجود دارد و آن انرژی گرمایی سیستم است. به عبارتی دیگر وقتی بین دو سیستم مبادله انرژی به طریق انرژی جنبشی انجام می شود یعنی ذرات دارای انرژی جنبشی هستند و به آن انرژی گرمایی می گویند.

شاخه ای از علم که به بحث درباره این موضوع مهم می پردازد ترمودینامیک نامیده می شود. در علوم چهارم و ششم ابتدایی و درس علوم هفتم و یازدهم ما با بحث انرژی حرارتی آشنا شدیم و این مقاله نشریه جهان شیمی فیزیک به طور خلاصه ما را با گرما و انرژی حرارتی آشنا می کند.

تعریف انرژی گرمایی

به توانایی انجام کار انرژی می گویند که به صورت های مختلفی وجود دارد. انرژی الکتریکی، انرژی پتانسیل، انرژی تابشی، انرژی حرارتی و… از انواع صورت های آن است. ذرات تشکیل دهنده یک ماده در حال حرکت و جنبش بوده و دارای انرژی به نام انرژی جنبشی هستند. به جمع انرژی های جنبشی تمام ذرات تشکیل دهنده یک جسم (اتم، مولکول، یون) انرژی گرمایی یا حرارتی آن جسم می گویند. وقتی به یک جسم گرما داده می شود ذرات تشکیل دهنده و در حال حرکت آن با گرفتن انرژی با سرعت بیشتری حرکت می کنند و انرژی جنبشی و درنتیجه انرژی حرارتی آن ها افزایش می یابد و ماده گرم تر می شود.

تعریف دما

معیار و سنجش میزان گرمی یک جسم را دما می گویند. در تعریفی دیگر به میانگین انرژی های جنبشی تمام ذرات تشکیل دهنده یک جسم دمای آن جسم می گویند. با گرما دادن به جسم و افزایش میانگین سرعت حرکت ذرات جسم دمای آن بالا می رود. وقتی به جسم گرما داده می شود این انرژی بین ذرات به طور یکسان پخش نمی شود و ذرات با موقعیت های مختلف انرژی های مختلفی می گیرند، به همین جهت میانگین انرژی برای محاسبه دما در نظر گرفته می شود.

تولید انرژی حرارتی

حرکت ذرات تشکیل دهنده ماده (اتم، مولکول یا یون) با سرعتی بیشتر از حالت طبیعی منجر به بالا رفتن دما می شود. در این حالت گرمای تولید شده باعث افزایش انرژی گرمایی جسم می شود.

راه های انتقال گرما

به سه روش همرفت، هدایت و تابش گرما منتقل می شود.

روش همرفت

انتقال گرما در این روش از طریق سیالات (گازها و مایعات) انجام می شود. به عنوان مثال در جریان گرم کردن خانه، وقتی هوای مقابل سیستم گرمایشی گرم می شود ذرات آن با سرعت بیشتری حرکت کرده و به سمت بالا می روند. بدین ترتیب هوای سرد و خنک در مقابل سیستم گرمایشی قرار می گیرد و با کسب انرژی گرم شده به سمت بالا می رود. این جریان دایره ای جا به جایی هوای گرم و سرد را جریان همرفتی گویند. جریان همرفتی در گاز ها بهتر از مایعات انجام می شود.

هدایت یا رسانش

در این روش انرژی حرارتی از یک جامد به جامدی دیگر منتقل می شود. وقتی یک میله فلزی گرم می شود گرما از انتهای گرم شده به انتهای دیگر منتقل می شود.

تابش

در این روش انتقال، گرما بدون دخالت هیچ مولکولی و از طریق امواج الکترومغناطیسی انجام می شود. یعنی هیچ رابطی برای این انتقال گرما وجود ندارد. به عنوان مثال گرمایی که از خورشید احساس می کنیم.

فرمول انرژی گرمایی

همه ی اجسام دارای انرژی حرارتی هستند که از جنبش ذرات حاصل می شود. هرچه میزان سرعت جنبش ذرات بیشتر باشد انرژی حرارتی بیشتر و ماده گرم تر خواهد بود. مقدار انرژی حرارتی یک جسم با جرم جسم، تفاوت دما و گرمای ویژه جسم متناسب است و با Q طبق رابطه زیر بیان می شود.

Q = mc ∆t

در این فرمول m جرم جسم، c گرمای ویژه جسم و ∆t اختلاف دما را نشان می دهد. گرمای ویژه یک جسم به مقدار گرمای لازم برای بالا بردن دمای یک واحد جرم از یک جسم به اندازه یک درجه سانتی گراد می باشد. گرمای ویژه آب ۱ کالری بر گرم درجه سانتی گراد و یا ۴۲۰۰ ژول بر کیلوگرم درجه سانتی گراد است. هر ماده ای گرمای ویژه مخصوص به خود را دارد. Q انرژی حرارتی است که بر حسب واحد های ژول، کیلو ژول، کالری و یا کیلو کالری بیان می شود.

منابع و کاربردهای انرژی گرمایی

انواع منابع انرژی حرارتی با توجه به چگونگی تولید آن، کاربرد هایی که دارد و منشا استفاده به دسته های زیر تقسیم می شود.

انرژی گرمایی زیست توده

٭ از گذشته یکی از پرمصرف ترین منابع برای تولید گرما و حرارت چوب بوده است. برای پخت و پز و حتی گرم کردن و جوشاندن آب در مصرف خانگی از گرمای تولید شده از چوب درختان، خاک اره ها، شاخه ها و غیره استفاده می شود.

٭ برای شعله ور کردن تنور نان از چوب خشک درختان صنوبر استفاده می شود چون چوب درختان سوزنی، گرما و حرارت بیشتری تولید می کنند اما در دیگ های بخار از چوب سخت برای تولید گرمای ممتد و با سرعت کند استفاده می شود.

٭ مورد استفاده دیگر از چوب این است که آن را به دور از اکسیژن داخل چاله هایی می سوزانند و به این طریق زغال تولید می کنند. زغال نیز مصارف خانگی زیادی دارد و نسبت به چوب با کثیفی کمتری می سوزد.

٭ برای پختن و سفت و سخت شدن کاشی ها و سرامیک ها و همچنین برای تولید مقوا و کاغذ به انرژی حرارتی حاصل از سوختن چوب احتیاج است.

٭ برای چرخش توربینی که انرژی الکتریکی تولید می کند به بخار تولید شده از دیگ های بخاری احتیاج است که با سوزاندن چوب انرژی حرارتی خود را به دست می آورند.

٭ در روشی چوب و زغال چوب با گازدهی درون محفظه هایی به مقدار زیاد گرما داده می شوند. این گرما چوب یا زغال چوب را به گازهایی تبدیل می کند که می توانند بسوزند.

٭ همچنین می توان از هیدرولیز چوب، نیشکر و انواع دیگر زیست توده ها، اتانول و دیگر سوخت های مایع را تولید کرد که یک نمونه در کپسول های خانگی گاز استفاده می شود.

انرژی گرمایی خورشیدی

از بهترین منابع انرژی حرارتی خورشید است که به طور مکانیکی به دام انداخته می شود.

٭ از انرژی حرارتی خورشید مانند انرژی های زیست توده می توان برای چرخاندن توربین های تولید کننده برق استفاده کرد. برای این کار این انرژی در نیروگاه های حرارتی برای گرم کردن دیگ های بخار به دام انداخته می شود.

٭ پنل های فتوولتائیک می توانند انرژی حرارتی خورشید را به انرژی الکتریکی مستقیم تبدیل کنند تا مورد استفاده قرار گیرد.

٭ از گرمای خورشید برای گرم کردن استخرها به خصوص در فصل های سرد استفاده می کنند.

٭ از گرمای خورشید برای گرم کردن دیگ های آب در منازل برای مصارف آشپزخانه، حمام و… استفاده می کنند.

٭ از انرژی الکتریکی خورشید برای خشک کردن یکنواخت دانه ها به کار گرفته می شود.

٭ همچنین از گرمای خورشید برای کار دستگاه تهویه کننده هوا و در صنعت برای عملیات سرد کنندگی استفاده می شود.

٭ یکی از کاربردهای بی خطر و عالی گرمای خورشید در اجاق های خورشیدی است که برای پخت و پز خانگی و حتی در صنعت کاربرد دارد.

٭ از انرژی حرارتی خورشید برای سیستم های اسمز معکوس و فتوولتائیک استفاده می شود تا از آب شور بتوان آب شیرین و آشامیدنی تهیه کرد.

انرژی گرمایی الکتریکی

خیلی آسان انرژی الکتریکی به انرژی گرمایی تبدیل می شود و در بسیاری از وسایل خانگی و صنعتی این تبدیل انرژی صورت می گیرد.

٭ یکی از این ابزارها خشک کن می باشد که در آن انرژی الکتریکی المنت های دستگاه را گرم کرده و انرژی حرارتی تولید شده باعث خشک شدن سبزیجات و مواد دیگر می شود. دستگاه توستر نیز دقیقا به همین روش باعث تبدیل انرژی برق به گرما شده و نان را گرم می کند.

٭ کتری های برقی که برای جوشاندن آب و شیر کاربرد دارد، اتوی لباس، اجاق های برقی و … در همگی برق به انرژی حرارتی تبدیل شده و با گرمای ایجاد شده ای کارها امکان پذیر می شود.

٭ دستگاه مایکروویو با گرمایش دی الکتریک باعث تولید گرما و گرم شدن غذا می شود.

انرژی گرمایی صنعتی

٭ در صنعت فولادسازی با انرژی حرارتی کک یا سنگ آهن ذوب می شود و این گرما در هنگام سرد شدن و تبدیل شدن به ورق پخش می شود.

٭ در صنایع چوب و کاغذ برای خمیر کردن چوب، سفید کردن و خشک کردن و همچنین در فرآیندهای اصلاح کاتالیزوری مانند تبدیل پارافین به مواد معطر انرژی حرارتی استفاده می شود.

٭ الیاف پلاستیکی که به عنوان پلیمر هستند و در قطعات خودرو و هواپیما و… استفاده می شوند برای ساخت چسب و لاستیک خود به انرژی حرارتی نیاز دارند.

٭ برای تهیه کود ازت از آمونیاک، نیترات آمونیوم و اوره به انرژی حرارتی با فشار بالا مورد نیاز است.

٭ هم چنین در صنعت برای تبدیل سنگ آهک به سیمان، برای تبدیل ذرت به روغن، پروتئین و…، تولید اتانول، تولید کلر با روش الکترولیز و بسیاری از موارد دیگر به انرژی حرارتی نیاز داریم.

انرژی گرمایی مکانیکی

با مالیدن دو جسم به هم و ایجاد اصطکاک انرژی حرارتی مکانیکی تولید می شود. مانند مالیدن دو سنگ چخماق و یا آتش زدن کبریت نمونه هایی از این انرژی حرارتی است.

سوخت های فسیلی

٭ نفت سفید به عنوان سوخت جت می سوزد و با تولید انرژی حرارتی نیروی محرک لازم برای حرکت آن را فراهم می آورد.

٭ از سوختن مایعات هیدروکربن ها در تولید انرژی حرارتی در خانه ها، کشاورزی و… استفاده می شود و از سوختن بنزین با تولید انرژی حرارتی و  تبدیل آن به انرژی الکتریکی برای حرکت ماشین ها بهره گرفته می شود.

٭ از نفت سفید برای تولید گرما در مصارف خانگی، از مازوت برای تولید گرما در دیگ های بخار، از موم ها در تولید گرما و از سوختن بنزین هواپیما انرژی لازم برای موتور استفاده می شود.

انرژی زمین گرمایی

از انرژی که از آتشفشان ها حاصل می شود بخار و یا آب گرم تولید می شود که کاربردهای زیادی در صنعت و تجارت دارد.

٭ از مهمترین کاربردهای چشمه های آب گرم برای چرخش توربین های تولید کننده برق است. همچنین از این چشمه ها برای استخرهای آب درمانی و یا استخرهایی برای پرورش برخی جانوران کاربرد دارد.

٭ از انرژی زمین گرمایی برای ذوب کردن برف ها، گرم کردن خانه ها و موتورها و حتی برای پخت و پز در خانه ها و پاستوریزه کردن شیر استفاده می شود.

٭ برای تولید انرژی حرارتی برای تولید فولاد از زغال کک و برای تولید برق از زغال سنگ بخار و در تولید آلومینیم از زغال سنگ  استفاده می شود.

تحقیق در مورد انرژی گرمایی

انرژی حرارتی یک جنبه جذاب و حیاتی از زندگی روزمره ما است که نقش مهمی در بسیاری از پدیده های طبیعی و فرآیندهای ساخت بشر ایفا می کند. از گرمای خورشید در یک روز تابستانی گرفته تا بخار برخاسته از یک کتری در حال جوش، انرژی حرارتی به اشکال مختلف ما را احاطه کرده است. درک اصول و کاربردهای انرژی حرارتی نه تنها جذاب است، بلکه برای پیشرفت در علم، فناوری و راه حل های انرژی پایدار نیز ضروری است.

انرژی گرمایی به پدیده‌ های طبیعی مانند فوران ‌های آتشفشانی و آبفشان ‌ها نیرو می‌دهد، به تولید انرژی تجدیدپذیر انرژی می‌دهد و بر الگوهای آب ‌وهوا تأثیر می ‌گذارد و نقش حیاتی خود را در شکل‌ دهی به دنیای اطراف ما نشان می‌دهد. از آشپزی و اکتشاف فضا گرفته تا کشاورزی پایدار و مدیریت زباله، انرژی حرارتی بر جنبه ‌های مختلف زندگی ما تأثیر می ‌گذارد، نوآوری‌ ها و اکتشافات را هدایت می ‌کند و در عین حال آسایش و رفاه انسان را افزایش می ‌دهد. انرژی حرارتی، شکلی از انرژی جنبشی، انرژی حاصل از گرما است. علاوه بر این، روش‌های مختلف نگهداری مواد غذایی، مانند کنسرو کردن و انجماد، به انرژی حرارتی برای افزایش عمر مفید اقلام فاسد شدنی متکی هستند.

انرژی حرارتی را می توان از طریق رسانایی، همرفت و تابش منتقل کرد. رسانایی زمانی اتفاق می افتد که گرما از یک جسم جامد یا بین دو جسمی که در تماس مستقیم هستند حرکت کند. همرفت شامل انتقال گرما از طریق حرکت مایعات یا گازها است. تابش به انرژی حرارتی اجازه می دهد تا از فضای خالی عبور کند، مانند نور خورشید که به زمین می رسد. انرژی حرارتی به انقلاب صنعتی دامن می زند. در طول انقلاب صنعتی، استفاده از انرژی حرارتی به طور چشمگیری گسترش یافت. موتورهای بخار با انرژی حرارتی، حمل و نقل و تولید را متحول کردند و بشریت را به عصر جدیدی از پیشرفت و نوآوری سوق دادند.