ما هي الحرارة

في فصلنا عن الدارات الكهربائية، تعلمنا أن الاختلاف في القدرة الكهربائية electric potential بين موقعين، يسبب تدفق الشحنة على طول الطريق الواصل بين الموقعين، وسيتواجد هذا التدفق للشحنة طالما الفرق في القدرة الكهربائية موجود. 

الآن وفي هذا الفصل، سنتعرف إلى مبدأ مماثل متصل بالحرارة. سيسبب الاختلاف في درجة الحرارة بين موقعين تدفق في الحرارة على طول الطريق الناقل (حرارياً) بين الموقعين، وسيحدث التدفق الحراري طالما بقي الفرق في درجة الحرارة بين الموقعين، وسيستمر هذا التدفق الحراري حتى يصل هذين الجسمين إلى درجة الحرارة نفسها، عند تساوي درجتي حرارتيهما، يقال أنهما عند نقطة التوازن الحراري، ولا يحدث بعدها التدفق الحراري.

يشار إلى هذا المفهوم أحياناً على أنه المبدأ صفر في الديناميكا الحرارية، وصيغ هذا المبدأ على شكل قانونٍ بعد أن كان قد تم اكتشاف القانون الأول والثاني والثالث في الديناميكا الحرارية، ولكن لأن القانون يبدو أساسياً أكثر من القوانين الثلاثة السابقة، سُمي بالمبدأ صفر. هذا القانون يحكم جميع الأجسام، وهذا هو الميل باتجاه التوازن الحراري، وهو يقدم تحدياً يومياً للراغبين بالتحكم بدرجة حرارة أجسامهم أو طعامهم أو شرابهم أو بيوتهم. 

نستخدم الثلج والعزل في محاولةٍ للحفاظ على شرابنا البارد بارداً، كما نستخدم العزل والنبضات المستمرة لطاقة المايكرويف لنحافظ على مشروباتنا الحارة حارةً، نجهز وسائط نقلنا، كما تكون منازلنا وأبنية مكاتبنا مجهزةً بمكيفات الهواء والمراوح للحفاظ على برودتها أثناء أشهر الصيف الحارة، كما نقوم بتجهيز نفس المركبات والأبنية بالأفران المسخنات للحفاظ على الدفء فيهم خلال أشهر الشتاء الباردة. 

أينما وجدت هذه الأنظمة في درجة حرارة مختلفة عن الوسط المحيط وغير معزولة تماماً (وهو حالة مثالية) ستتدفق الحرارة، سيستمر هذا التدفق الحراري حتى تحقق المنظومة والوسط المحيط درجات حرارة متساوية، ولأن هذه الأنظمة ذات حجوم أصغر بكثير من الوسط المحيط، سيكون هناك المزيد من التغيرات الملحوظة والملموسة في درجات حرارة هذه الأنظمة. 

نظرية السعرات الحرارية

فكر العلماء بطبيعة الحرارة لوقتٍ طويل، حسناً، في منتصف القرن التاسع عشر، كانت الفكرة الأكثر قبولاً عن الحرارة هي فكرة ربطتها بسائلٍ يدعى السعرات الحرارية (النظرية الكالورية). 

وأشار الكيميائي المعروف أنطوان لافوازييه Antoine Lavoisier إلى وجود شكلين من السعرات الحرارية: النوع الكامن أو المخزن في المواد القابلة للاحتراق، والنوع الذي يمكن الشعور به أو مشاهدته عبر تغير درجة الحرارة. 

بالنسبة لـ لافوازييه وأتباعه، ينتج عن احتراق الوقود انطلاق هذه الحرارة الكامنة إلى الوسط المحيط، حيث تشاهد بتسببها تغير في درجة حرارة الوسط المحيط. 

بالنسبة لـ لافوازييه وأتباعه، كانت الحرارة موجودةٌ دوماً إما بشكلٍ كامنٍ أو محسوس، إذا بردت غلاية ماء إلى درجة حرارة الغرفة، كان يفسر ذلك على أنه تدفق للسعرات الحرارية من الماء الحار إلى الوسط المحيط.

الحرارة ليست شيئاً يحتويه الجسم، وإنما شيء ينتقل بين جسمين

على غرار نظرتنا الحديثة للحرارة، كانت نظرة الكالوريين، إذا صدرت الحرارة عن أحد الأجسام سيكتسبها بعد ذلك جسم آخر، لا يتغير المقدار الإجمالي للسعرات أبداً، لقد كانت تنتقل ببساطة من أحد الأجسام إلى جسمٍ آخر، وتتحول من أحد الأشكال (الكامنة) إلى شكلٍ آخر (محسوس).

ولكن وبخلاف نظرتنا الحديثة للحرارة، كانت الحرارة مادةً فيزيائيةً حقيقية، مائع يمكنه التدفق من جسم إلى جسم آخر، وكذلك بخلاف نظرتنا الحديثة، كانت الحرارة تمثل بشكلٍ واحدٍ أو آخر.  بالنهاية، وفي الرؤية الحديثة، تقدم الحرارة فقط عند وجود انتقال للطاقة، ومن غير المعقول الحديث عن الحرارة كما لو أنها موجودة عند وصول الجسمين إلى التوازن الحراري. الحرارة ليست شيئاً موجوداً في جسم، ولكنها شيء ينتقل بين الأجسام، لا توجد حرارة عند توقف الانتقال. 

انهيار النظرية الكالورية

في الوقت الذي كان يتواجد فيه بشكل مستمر بدائل للنظرية الكالورية، كانت الرؤية الأكثر قبولاً حتى منتصف القرن التاسع عشر. أحد التحديات الأولى للنظرية الكالورية كانت من العالم الأنجلو أمريكي بينيامين تومسون(معروف بالكونت رومفورد) Benjamin Thompson (a.k.a., Count Rumford)، وكان تومسون أحد العلماء الأساسيين الذين عينوا لمهمة تثقيب فوهات المدافع لصالح الحكومة البريطانية، استغرب تومسون من درجات الحرارة المرتفعة التي تبلغها فوهات المدافع والقشور التي كانت تسقط من المدفع أثناء عملية التثقيب.. 

في أحد التجارب، قام بغمس المدفع في خزان ماء أثناء عملية التثقيب، لاحظ أن الحرارة المتولدة عن عملية التثقيب كانت كافية لغلي الماء المحيط في غضون عدة ساعات. 

أثبت تومسون أن هذه الحرارة المتولدة تحدث في غياب أي تغيرات كيميائية أو فيزيائية في تركيب المدفع، وعزل الحرارة المتولدة إلى الاحتكاك بين المدفع وأداة التثقيب، وجادل بأنها لا يمكن أن تكون نتيجةً لتدفق مائع ضمن الماء. 

نشر تومسون ورقة في العام 1798 تحدت الرأي القائل بأن الحرارة كانت سائلاً مصاناً، ودافع عن وجهة نظر ميكانيكية حول الحرارة، مشيراً إلى أن منشأها كان على صلةٍ بحركة الذرات وليس بانتقال مائع.

تابع العالم الإنكليزي جيمس بريسكوت جول James Prescott Joule من حيث توقف تومسون، مسدداً عدة ضرباتٍ مصيريةٍ إلى النظرية الكالورية عبر مجموعةٍ من التجارب، جول، والذي تنسب إليه وحدة القياس المترية للطاقة، أجرى تجارب حسب فيها تجريبياً مقدار العمل الميكانيكي إلى مقدار الحرارة المنتقلة من النظام الميكانيكي.

نواعير مغمورة في خزان من الماء (دولاب مائي)

قام جول بقياس كل من العمل الميكانيكي المنجز والحرارة التي يكتسبها الماء، تجارب مماثلة توضح أنه يمكن توليد الحرارة بواسطة تيار كهربائي، وجهت صفعةً جديدةً إلى الاعتقاد بأن الحرارة كانت عبارة عن مائعٍ تحتويه المادة، وأنه كان مصاناً دوماً.

كما سنتعلم في الفصل القادم وبتفاصيل كبيرة، تمتلك الأجسام طاقة داخلية، وفي التفاعلات الكيميائية ينطلق قسم كبير من هذه الطاقة إلى الوسط المحيط على شكل حرارة، ومع ذلك، هذه الطاقة الداخلية ليست شيئاً مادياً أو مائعاً يحتويه الجسم، إنها ببساطة الطاقة الكامنة التي تختزنها الروابط التي تربط الجسيمات داخل الجسم مع بعضها البعض (الروابط الكيميائية بين الذرات والجزيئات لها طاقة). 

الحرارة أو الطاقة الحرارية هي شكل هذه الطاقة لدى انتقالها بين المنظومات والوسط المحيط، لا يوجد ما هو مادي في الحرارة، فهي ليست مادة ولا مائع مصان. الحرارة هي شكل من أشكال الطاقة الذي يمكن أن ينتقل من جسمٍ إلى جسمٍ آخر، أو يخلق نتيجة فقدان أشكال أخرى من الطاقة. 

للمراجعة، درجة الحرارة هي مقياس لقدرة مادة، أو أكثر عادة في منظومة فيزيائية، لنقل الطاقة الحرارية إلى منظومة فيزيائية أخرى. إذا كان لجسمين -أو منظومة ووسطها المحيط- درجتي حرارة مختلفتين، سيكون بالتالي لهما قدرة مختلفة على نقل الحرارة. على مدار الوقت، سيكون هناك تدفق للطاقة من الجسم الأكثر حرارة إلى الجسم الأبرد، يشار إلى هذا التدفق من الطاقة على أنه حرارة. 

تدفق الحرارة يسبب برودة الجسم الأسخن وتسخين الجسم الأبرد، سيستمر تدفق الحرارة حتى يصبح للجسمين درجتي حرارة متساويتين، عند هذه النقطة يكون الجسمين متوازنين حرارياً مع بعضهما البعض. في الجزء القادم من هذا الدرس، سنكتشف آلية انتقال الحرارة، سنتطلع على طرق مختلفة يمكن للحرارة أن تنتقل بها من جسم إلى آخر، وحتى من موضع في هذا الجسم إلى موضع آخر. وسنعلم أن ما يبدو للعيان يمكن أن يشرح بعبارات مجهرية.