الحرارة و الطاقة الداخلية: تجربة جيمس جول

ما هو الفرق بين الحرارة و الطاقة الداخلية

التجارب التي أجراها العالم جيمس جول ، و علماء آخرون أظهرت أن الطاقة يمكن أن تضاف إلى ، أو تنتزع من النظام، أما بواسطة الحرارة أو الشغل المبذول على النظام ، أو أن يبذل النظام نفسه شغلا.

من الضروري أن نميز بين الطاقة الداخلية   internal energy    و الحرارة.  الطاقة الداخلية هي مجموع الطاقات المختزنة في النظام، و ذلك على المستوى الميكروسكوب: اي على مستوى الذرات و الجزيئات.

 اما الحرارة، فهي انتقال الطاقة، عبر حدود النظام ؛ نتيجة وجود اختلاف أو فرق في درجات الحرارة بين النظام و الوسط المحيط.

بشكل عام، يحدث انتقال الحرارة من الجسم الاكثر دفئا إلى الجسم الأقل دفئا؛ لفترة زمنية حتى تتساوى درجتي حرارة الجسمين.

أيضا من المهم أن نعرف أن الطاقة الداخلية للنظام يمكن أن تتغير ، حتى في حالة عدم انتقال الطاقة، بواسطة الحرارة. و يمكن توضيح ذلك بمثال بسيط:

عند ضغط غاز محبوس، في اسطوانة عازلة للحرارة، سترتفع درجة حرارة ذلك الغاز الذي تم ضغطه؛  و ستزداد الطاقة الداخلية له ؛بالرغم من عدم انتقال حرارة من الوسط المحيط الى هذا الغاز.. و هذا يذكرنا بقانون الضغط للغاز : الذي ينص على أن ضغط الغاز يتناسب طرديا مع درجة حرارته المطلقة.

   

بالمثل : إذا سمحنا لذلك الغاز المحبوس بالتمدد المفاجئ، ستنخفض درجة حرارته؛ و تنخفض كذلك طاقته الداخلية، وذلك بالرغم من عدم انتقال طاقة حرارية إلى الوسط المحيط.

اذا ما سبب تغير درجة حرارة الغاز؟

  أن تغير درجة حرارة الغاز لا يرجع فقط إلى الاختلاف في درجات الحرارة بين الغاز و الوسط المحيط ، و لكن السبب الرئيسي هو الانضغاط و التمدد الحادثين للغاز. و في الحالتين: تمدد أو انضغاط الغاز، تنتقل الطاقة، من أو إلى الغاز، عن طريق الشغل المبذول على ، أو المبذول بواسطة، ذلك الغاز.

   و تغير الطاقة للنظام هو ، ببساطة ، زيادة أو نقص طاقته الداخلية: تغير الطاقة الداخلية نستطيع أن تبرهن عليه عن طريق تغير درجة حرارة ذلك النظام.

المكافيء الميكانيكي للحرارة:

النظام في هذه التجربة ، التي أجراها العالم جيمس جول، هو الماء الموضوع في اسطوانة عازلة للحرارة.

الشغل المبذول على الماء بواسطة عجلة دوارة، مثل أذرع المروحة الكهربائية ، و يتحكم في الدوران كتلتان ثقيلتان من الرصاص، يسقطان من أعلى لاسفل بسرعة ثابتة، تقريباً.

الماء ترتفع درجة حرارته تدريجياً ؛ نتيجة احتكاك الاذرع الدوارة به. و اذا اهملنا الحرارة التي تنتقل الى جدران الاسطوانة، سيكون النقص في طاقة وضع الكتلان المعدنيتان ؛ نتيجة هبوطهما من أعلى لاسفل، سيكون ذلك النقص في طاقة الوضع مساويا تماما للشغل المبذول على الماء بواسطة الاذرع الدوارة .

لو سقطت الكتلان المعدنيتان مسافة قدرها h   

سيكون النقص في طاقة الوضع للكتلتين المعدنيتان هو m.g.h+m.g.h

 

بذلك تتحول الطاقة الميكانيكية إلى طاقة حرارية.

خلاصة ما توصل إليه العالم جيمس جول:

النقص في طاقة الوضع يتناسب طرديا مع مقدار الارتفاع في درجة الحرارة Δ T. و ثابت التناسب قيمته تساوي تقريباً  4.18 J/g.°C. 

لذلك ؛ 4.18 joul من الطاقة الميكانيكية ترفع درجة حرارة جرام واحد من الماء بمقدار درجة واحدة مئوية.

ملحوظة: يستخدم احيانا السعر و هو يساوي 4.18 جول.

واضح أن جول..صاحب الصورة الموضحة.. هو أول من أثبت بتجربة عملية أن الطاقة الميكانيكية تتحول إلى طاقة حرارية.