گرما
گرما یا حرارت در فیزیک و ترمودینامیک به‌عنوان یک شکل از انرژی به‌حساب می‌آید که به دلیل تفاوت دما بین دو سیستم، از جسمی به جسم دیگر یا از ناحیه‌ای به ناحیه‌ی دیگر منتقل می‌شود. گرما پدیده‌ای انتقالی است، به این معنی که نمی‌توان آن را در یک جسم ذخیره کرد و تنها هنگامی وجود دارد که انتقال انرژی رخ دهد. گرما در بسیاری از فرآیندهای طبیعی و صنعتی نقش مهمی ایفا می‌کند، مانند واکنش‌های شیمیایی، تبخیر و جوشش آب، و کارکرد موتورهای حرارتی.
انواع انتقال حرارت
- رسانش (Conduction): رسانش به معنی انتقال حرارت از طریق برخورد مستقیم مولکول‌ها و اتم‌ها است. در جامدات، رسانش گرما به‌واسطه‌ی ارتعاشات و برخورد ذرات رخ می‌دهد و در فلزات، به دلیل وجود الکترون‌های آزاد، این انتقال بسیار کارآمد است. به‌عنوان مثال، وقتی یک طرف میله‌ی فلزی گرم شود، گرما از طریق رسانش به طرف دیگر منتقل می‌شود.
- همرفت (Convection): همرفت، مکانیزمی از انتقال گرما در مایعات و گازها است که در آن مولکول‌های گرم‌تر به سمت بالا حرکت کرده و مولکول‌های سردتر به سمت پایین می‌روند، جریان‌هایی به نام جریان همرفتی ایجاد می‌کنند. این جریان‌ها موجب جابجایی و انتقال گرما در کل ماده می‌شوند و نمونه‌ی معمول آن، جریان‌های همرفتی در آب هنگام گرم کردن آن است.
- تابش (Radiation): تابش، شکلی از انتقال حرارت است که نیازی به محیط مادی ندارد. انرژی از طریق تابش الکترومغناطیسی، مانند امواج فروسرخ، از جسمی به جسم دیگر منتقل می‌شود. خورشید گرما و نور خود را از طریق تابش به زمین منتقل می‌کند.
قوانین بنیادی گرما و ترمودینامیک
گرما و دما به‌صورت نزدیکی با قوانین ترمودینامیک مرتبط هستند:
- قانون اول ترمودینامیک یا قانون بقای انرژی بیان می‌کند که انرژی نه خلق و نه نابود می‌شود، بلکه از شکلی به شکل دیگر تبدیل می‌شود. این قانون همچنین اساس کارکرد ماشین‌های حرارتی و تبرید را توضیح می‌دهد.
- قانون دوم ترمودینامیک بیان می‌کند که گرما به‌طور طبیعی از جسمی با دمای بالاتر به جسمی با دمای پایین‌تر منتقل می‌شود و نه برعکس، مگر اینکه کاری از بیرون انجام شود، همان‌طور که در یخچال و پمپ‌های حرارتی اتفاق می‌افتد.
واحدها و اندازه‌گیری
واحد گرما در سیستم SI ژول (Joule) است، اما در کاربردهای صنعتی از کالری و بی‌تی‌یو (British Thermal Unit) نیز استفاده می‌شود. کالری به‌عنوان مقدار گرمایی که برای بالا بردن دمای یک گرم آب به اندازه‌ی یک درجه سلسیوس لازم است، تعریف می‌شود. وات (Watt) واحد اندازه‌گیری توان گرمایی است که نشان‌دهنده‌ی سرعت انتقال حرارت است.
مفهوم آنتروپی و گرما
آنتروپی، معیاری از بی‌نظمی در یک سیستم، مستقیماً با مفهوم گرما و قانون دوم ترمودینامیک در ارتباط است. با افزایش گرما و دما در سیستم‌ها، آنتروپی نیز افزایش می‌یابد، چرا که مولکول‌ها در حالت‌های انرژی بالاتری قرار می‌گیرند و بی‌نظمی بیشتری ایجاد می‌شود.
کاربردهای گرما در فناوری و صنعت
- موتورهای حرارتی: این موتورها از گرما برای تولید کار مکانیکی استفاده می‌کنند و اساس کارکرد بسیاری از ماشین‌آلات صنعتی و وسایل نقلیه را تشکیل می‌دهند.
- پمپ‌های حرارتی و یخچال‌ها: این دستگاه‌ها با استفاده از کار مکانیکی گرما را از ناحیه‌ای سرد به ناحیه‌ای گرم منتقل می‌کنند، بر خلاف جریان طبیعی گرما که از گرم به سرد است.
- تولید برق: نیروگاه‌های بخار با تبدیل انرژی گرمایی حاصل از سوخت‌های فسیلی به انرژی الکتریکی از طریق توربین‌ها کار می‌کنند.
پیشرفت‌های علمی
نظریه‌های مدرن مانند مکانیک آماری و فیزیک کوانتوم به شناخت عمیق‌تری از رفتار حرارتی مولکول‌ها و اتم‌ها کمک کرده‌اند. این دیدگاه‌ها نشان می‌دهند که گرما در واقع ناشی از حرکت تصادفی ذرات زیراتمی است و انتقال انرژی به صورت تعاملات پیچیده‌ی کوانتومی رخ می‌دهد.
به این ترتیب، درک اصول گرما و ترمودینامیک نه‌تنها به علم فیزیک کمک کرده است بلکه در مهندسی، شیمی، زیست‌شناسی و حتی پزشکی نیز کاربردهای فراوان دارد.