في التخصصات الهندسية التي تتضمن تحويل الطاقة، والإدارة الحرارية، وتصميم الأنظمة، يثبت الفهم الشامل لعلم الطاقة الحرارية أنه ضروري. يدرس هذا المجال توليد الطاقة الحرارية ونقلها وتحويلها واستخدامها، ويتضمن الديناميكا الحرارية، وانتقال الحرارة، وميكانيكا الموائع. تقدم هذه المقالة تحليلًا شاملاً للمفاهيم الأساسية والمبادئ الأساسية والتطبيقات الهندسية الواقعية لإنشاء أساس متين في علم الطاقة الحرارية.
تشكل الديناميكا الحرارية حجر الزاوية في علم الطاقة الحرارية، حيث تحكم عمليات تحويل الطاقة - خاصة بين الطاقة الحرارية وأشكال الطاقة الأخرى. تحدد القوانين الأربعة الأساسية الإطار لفهم السلوك الحراري.
يطبق القانون الأول مبادئ الحفاظ على الطاقة على الأنظمة الديناميكية الحرارية، وينص على أنه لا يمكن إنشاء الطاقة أو تدميرها - بل يتم تحويلها أو نقلها فقط. بالنسبة للأنظمة المغلقة، فإن تغير الطاقة يساوي الحرارة الممتصة ناقص الشغل المبذول:
ΔU = Q - W
حيث يمثل ΔU تغير الطاقة الداخلية، و Q تشير إلى الحرارة الممتصة، و W تشير إلى ناتج الشغل. تتكون الطاقة الداخلية من جميع الطاقة الحركية الكامنة الجزيئية. يثبت هذا المبدأ أنه حاسم لتحليل توازن الطاقة في أنظمة مثل محركات الاحتراق الداخلي حيث تتحول الطاقة الكيميائية إلى طاقة حرارية، ثم إلى شغل ميكانيكي.
يحكم هذا القانون اتجاه تحويل الطاقة، ويحدد أن العمليات الطبيعية تزيد من الإنتروبيا - مقياس لاضطراب النظام. تشمل الصيغ الرئيسية:
إن آثار القانون على كفاءة الطاقة عميقة، مما يدل على أن تحويل الطاقة المثالي يظل مستحيلاً بسبب الخسائر الحتمية.
عندما تقترب درجة الحرارة من الصفر المطلق (-273.15 درجة مئوية)، تقترب إنتروبيا النظام من الحد الأدنى من القيم. يدعم هذا المبدأ ظواهر الفيزياء ذات درجة الحرارة المنخفضة مثل الموصلية الفائقة.
ينص هذا القانون الأساسي على أن الأنظمة في حالة توازن حراري مع نظام ثالث يجب أن تكون في حالة توازن مع بعضها البعض، مما يشكل الأساس لقياس درجة الحرارة.
يدرس علم انتقال الحرارة حركة الطاقة الحرارية عبر ثلاث آليات أساسية: التوصيل والحمل والإشعاع.
يصف التوصيل انتقال الحرارة من خلال التفاعلات الجزيئية، ويحكمه قانون فورييه:
Q = -kA(dT/dx)
حيث يمثل k الموصلية الحرارية، و A تشير إلى مساحة النقل، و dT/dx يوضح تدرج درجة الحرارة. تظهر المعادن موصلية عالية بينما تظهر العوازل قيمًا منخفضة.
يتضمن الحمل انتقال الحرارة من خلال حركة الموائع، ويصنف على أنه طبيعي (مدفوع بالطفو) أو قسري (مدفوع ميكانيكيًا). يصف قانون نيوتن للتبريد انتقال الحرارة بالحمل:
Q = hA(T s - T ∞ )
حيث يمثل h معامل الحمل، والذي يتم تحديده من خلال خصائص الموائع وظروف التدفق.
يحدث الإشعاع الحراري من خلال الموجات الكهرومغناطيسية، باتباع قانون ستيفان-بولتزمان:
Q = εσAT 4
حيث يمثل ε الانبعاثية و σ يمثل ثابت ستيفان-بولتزمان (5.67×10 -8 W/m 2 K 4 ).
غالبًا ما تتضمن التطبيقات الهندسية العملية آليات انتقال الحرارة المتزامنة، مما يتطلب تحليلًا شاملاً من خلال أساليب النمذجة المبسطة.
تدرس ميكانيكا الموائع حركة السوائل والغازات، مما يؤثر بشكل حاسم على عمليات انتقال الحرارة بالحمل من خلال خصائص مثل الكثافة واللزوجة والتوتر السطحي.
تعمل هذه الأجهزة الأساسية على تسهيل نقل الطاقة الحرارية بين السوائل، مع مراعاة التصميم بما في ذلك:
تستخدم هذه التقنيات تغيرات طور المبرد لتطبيقات التبريد، باستخدام دورات الضغط أو الامتصاص مع معالجة المخاوف البيئية من خلال اختيار المبرد.
تشمل طرق التخزين الحرارة الحسية (تغير درجة الحرارة) والحرارة الكامنة (تغير الطور) والتخزين الكيميائي الحراري، وإيجاد تطبيقات في استخدام الطاقة الشمسية واستعادة حرارة النفايات الصناعية.
تمكن الأساليب الحسابية مثل تحليل العناصر المحدودة وديناميكيات الموائع الحسابية من تصميم الأنظمة الحرارية وتحسينها بشكل متطور.
توفر تقنيات القياس بما في ذلك مستشعرات درجة الحرارة ومقاييس التدفق وأنظمة اكتساب البيانات تحققًا تجريبيًا للنماذج النظرية.
تمثل التقنيات المتجددة الناشئة مثل الطاقة الشمسية والرياح والطاقة الحرارية الأرضية تطورات حاسمة في علم الطاقة الحرارية.
ستركز التطورات على تحسينات كفاءة الطاقة، ومصادر الطاقة الجديدة، وأنظمة الطاقة الذكية، وتدابير حماية البيئة.
يظل علم الطاقة الحرارية حيويًا لمعالجة تحديات الطاقة العالمية، مع استمرار الابتكار الذي يعد بمساهمات كبيرة في التنمية المستدامة.
