الطاقة الحرارية للمادة

لنفهم ماذا يحدث عند انتقال الطاقة إلى المادة، ولكن بدايتنا بغاز أحادي الذرة كالهليوم. يمكننا كتقريب أول اعتبار أن كل ذرة من الغاز تتصرف كما لو كانت كرة صلدة تنطلق كالسهم هنا وهناك. ورغم أن هذه الذرة لها طاقة حركة دورانية نتيجة لحركتها المغزلية حول محورها، فإن هذه الطاقة ( Iω²½) صغيرة جداً لن عزم القصور الذاتي للذرة صغير جداً جداً. ومن ثم يمكن إهمال طاقة الحركة الدورانية بالنسبة إلى طاقة الحركة الانتقالية. يمكننا القول إذن أن الطاقة الكلية للجزئ أحادي الذرة تساوي طاقة حركتها الانتقالية فقط.

أما في حالة الجزيئات ثنائية الذرة، كجزيئات الاوكسجين O₂ والنتروجين  N₂، فإن عزم القصور الذات يكون كبيراً، وذلك لوجود مسافة فاصلة بين الذرتين المكونتين للجزئ. ونتيجة لذلك ستكون طاقة حركتها الدورانية مقارنة بطاقة حركتها الانتقالية ولا يمكن اهمالها.

إضافة إلى طاقتي الحركة الانتقالية والدورانية فإن الجزيئات ثنائية الذرة تمتلك نوعاً ثالثاً من الطاقة هو الطاقة هو الطاقة الاهتزازية. فنظراً لوجود الرابطة الكيمائية بين ذرتي الجزئ، والممثلة بالزنبرك في الشكل 1))،  يمكن لهاتين الذرتين أن تتذبذبا على استقامة الخط الواصل بينهما بطريقة تشبه كثيراً تذبذب كتلتين مثبتين في طرفي زئبق مرن. وتتكون الطاقة الاهتزازية للجزئ، أو لأي نظام متذبذب عموماً، من طاقة الحركة المرتبطة بحركة الذرتين وطاقة الجهد المرتبطة باستطالة أو انضغاط الرابطة. يمكننا ان نستنتج بناء على ذلك أن الطاقة المضافة إلى غاز ثنائي الذرة لن تظهر كلها في صورة طاقة حركة انتقالية للجزيئات كما في حالة الجزئ أحادي الذرة، بل إن جزءاً منها سوف يتحول إلى صور اخرى من الطاقة الداخلية ( أي إلى طاقة دورانية واهتزازية).

الشكل 1)): جزء الغاز ثنائي الذرة له طاقة حركة انتقالية وطاقة حركة دورانية، كما أن له طاقة حركة اهتزازية مرتبطة بالرابطة شبه الزنبركية بين ذرتيه.

ويصبح الموقف أكثر صعوبة  عندما ننتقل إلى الغازات عديدة الذرات ، والت تكون جزيئاتها أكثر تعقيداً من الجزيئات ثنائية الذرة. ففي هذه الحالة يمكن للجزيئات أن تتذبذب أو تدور بعدة طرق مختلفة، قد تكون كثيرة في بعض الاحيان؛ ولهذا يكون نصيب طاقة الحركة الانتقالية من الطاقة المضافة إلى المادة أقل مما في الحالتين السابقتين. ويمكننا أن نستنتج بناء على ذلك أنه كلما كانت جزيئات الغاز أكثر تعقيداً، كلما زادت كمية الحرارة اللازمة لرفع درجة حرارة الغاز بمقدار معين، وسوف تكون هذه العلاقة بين الحرارة المضافة والارتفاع الناتج في درجة الحرارة.

ويعتقد الموقف تماماً في حالة السوائل والجوامد. فبالإضافة إلى الروابط الكيميائية الموجودة داخل الجزيئات ذاتها، هناك روابط بين الجزيئات المتجاورة. ومن ثم فغن الحرارة المضافة يمكن أن تؤدي إلى أنوع عديدة من الحركة داخل حجم المادة. وفي جميع الحالات تتغير هذه الحركات بصورة مستمرة نتيجة للتصادمات العشوائية للذرات المتحركة ولن يكون لها اتجاه ثابت. هذه الحركات العشوائية تسمى بالحركات الحرارية؛ كما تعرف الطاقة المرتبطة بهذه الحركات العشوائية بالطاقة الحرارية، وهو ما أشرنا إليه في الفصل الخامس عند مناقشة تأثير القوى الاحتكاكية.

هناك فرق هام بين الحرارة والطاقة الحرارية. فالحرارة هي الطاقة التي تنساب من جسم إلى آخر نتيجة لاختلاف درجتي حرارتهما. ما الطاقة الحرارية فهي الطاقة التي تحتويها المادة بفضل الحركات العشوائية لذراتها وجزيئاتها. وعندما تضاف الحرارة إلى مادة ما قد يستهلك جزء منها في بذل شغل ميكانيكي، كما في حالة حركة كباس نتيجة للتمديد الحراري لغاز مثلاً. وعليه فليس من المحتم أن تتحول كل الحرارة المضافة إلى طاقة حرارية.

الطاقة الحرارية هي الطاقة المرتبطة بالحركة العشوائية للذرات والجزيئات.

ومن الجدير بالملاحظة ان الحرارة المنتقلة إلى المادة تتحول في أغلب الأحيان إلى طاقة حرارية، ولكن هناك احتمالات أخرى سوف نناقشها فيما بعد. كذلك يمكن أن تزداد الطاقة الحرارية للمادة بطرق ميكانيكية أو بإضافة الحرارة إليها على السواء.

قبل نهاية القرن الثامن عشر كانت دراسة الحرارة منفصلة تماماً عن دراسة الميكانيكا. وفي الثمانينيات مع ذلك القرن كان الفيزيائي الامريكي بنيامين طومسون أول من تحقق من وجود علاقة وثيقة بين الشغل الميكانيكي وتولد الحرارة. كان طومسون يعمل في ذلك الوقت في مجال حفر مواسير المدافع في بافاريا، ولاحظ أن درجة حرارة الماسورة ترتفع بشكل ملحوظ أثناء عمل آلة الحفر. وقبل ذلك الوقت كان الرأي السائد عن الحرارة أنها عبارة عن مائع يسمى الكالوريك، او السيال الحرارية، وأن الاجسام الساخنة تحتوي على الكالوريك بعكس الأجسام الباردة التي لا تحتوي عليه. فإذا تلامس جسم ساخن بآخر بارد، سوف ينساب الكالوريك من الجسم الساخن إلى البارد ويستمر ذلك إلى أن تتساوى درجتا حرارتهما. لوكن مشاهدات طومسون اثبتت ان الحرارة يمكن أن تتولد بواسطة قوى الاحتكاك الميكانيكي. وبحلول منتصف القرن التاسع عشر أثبتت تجارب الفيزيائي الإنجليزي جيمس برسكوت جول وجود تكافئ دقيق بين الوحدات الميكانيكية للطاقة والوحدات الحرارية للحرارة.