ما هو التقنيات الحرارية

تختلف الأنواع المختلفة من الكيمياء التحليلية بناءً على المنهجية التي تعتمد عليها كل منها والتقنيات والأدوات المستخدمة في كل منها. ومن بين هذه الأنواع:

1. الكيمياء التحليلية النووية: تستخدم فيها التقنيات النووية والإشعاعية لتحديد التراكيز والنسب النووية للعناصر المختلفة في عينات المواد.

2. الكيمياء التحليلية الحرارية: تستخدم فيها التقنيات الحرارية لتحديد التراكيز والخواص الحرارية للمواد.

3. الكيمياء التحليلية الكهربية: تستخدم فيها التقنيات الكهربائية لتحديد التراكيز والخواص الكهربائية للمواد.

4. الكيمياء الطيفية: تستخدم فيها التقنيات الطيفية (مثل الأشعة فوق البنفسجية والمرئية والتحت الحمراء والنووية المغناطيسية الرنينية) لتحديد التراكيز والخواص البصرية والمغناطيسية للمواد.

5. الكيمياء التحليلية الكروماتوغرافية: تستخدم فيها التقنيات الكروماتوغرافية (مثل الكروماتوغرافيا الغازية والسائلة) لتحليل وتطهير المواد وتحديد التراكيز النووية والخواص.

6. الكيمياء التحليلية الجزيئية: تستخدم فيها التقنيات الجزيئية (مثل الطيفية والكهربائية والنووية) لتحديد التراكيز والخواص الجزيئية للمواد.

الحرارة الحرجة هي الحرارة اللازمة لتحويل مادة معينة من الحالة السائلة إلى الحالة الغازية عند درجة حرارة وضغط محددين. وهي تعتمد على خصائص المادة وعلى درجة الحرارة والضغط المحيطي.

يمكن استخدام الحرارة الحرجة في دراسة العمليات الحرارية المختلفة، مثل تبخر الماء، وتحويل الغازات إلى سوائل، وتصلب المواد. كما يمكن استخدامها في تصميم وحدات التبريد والتكييف الهوائي.

وتستخدم الحرارة الحرجة في صياغة القوانين الفيزيائية المتعلقة بالحرارة والحركة، مثل قانون زايلية وقانون فان دير والسع الحراري. وقد ساهمت دراسة الحرارة الحرجة في فهم العديد من الظواهر الفيزيائية وتطوير التقنيات الحرارية المختلفة.

هناك العديد من التطورات في مجال دراسة الطاقة والحرارة في الفيزياء، بما في ذلك:

1- تقنيات الطاقة النظيفة والمتجددة، مثل الطاقة الشمسية والرياح، والتي تحظى بشعبية كبيرة في الوقت الحاضر.

2- تطوير التقنيات الحرارية، مثل المحركات الحرارية، والتي تستخدم في الصناعات المختلفة لتوليد الطاقة وتقليل تكلفة الإنتاج.

3- دراسة الأنظمة الحرارية الجديدة، مثل البلازما والنانومواد والأنظمة المضادة للتآكل، والتي تفتح الباب أمام تصميم الأدوات والآلات التي تتحمل درجات الحرارة العالية.

4- البحث عن كيفية تطبيق فكرة الطاقة المحفوظة في بعض المواد، والتي يمكن استخدامها لتوليد الطاقة الكهربائية.

5- تطوير أنظمة التحكم الحرارية الذكية، التي تتيح التحكم الدقيق في درجة الحرارة والكفاءة في استهلاك الطاقة.

6- البحث في مجال تخزين الطاقة، والذي يمكن أن يساعد على تحسين كفاءة الطاقة وخفض التكاليف.

الحرارة والكهرباء ترتبطان بصورة كبيرة في الفيزياء الحرارية من خلال مفهوم الحرارة الناتجة عن تدفق الكهرباء. ويعتمد هذا المفهوم على الظاهرة المعروفة باسم التأثير الحراري للتيار الكهربائي (التأثير الحراري جوول). عندما يمر التيار الكهربائي عبر موصل، يتسبب في إنتاج حرارة عن طريق اصطدام الإلكترونات مع الذرات والأيونات الموجودة في الموصل. ويسمى الحرارة الناتجة عن هذا التأثير بـ”الحرارة الكهربائية” أو “الحرارة الجوولية” والتي يمكن قياسها باستخدام جهاز قياس حرارة يسمى المقياس الكهروحراري (الترموكوبل). وتنطبق هذه الدراسات في تطوير كثير من التقنيات الحرارية، مثل تبريد المحركات وتوليد الطاقة الحرارية.

تحليل الخواص الحرارية في الفيزياء الكيميائية يتم عادة باستخدام التقنيات الحرارية، مثل التفاعل الحراري والتحليل الحراري. في التفاعل الحراري، يتم إضافة مادة محفزة للمادة المراد دراستها، ويتم قياس الحرارة التي تتولد من التفاعل بينهما. في التحليل الحراري، يتم قياس التغيرات في حرارة المادة المراد دراستها عند تعرضها لتغيرات في درجة الحرارة.

يتم تحليل النتائج الحرارية باستخدام العديد من الأساليب المختلفة، مثل التحليل الحراري التفاضلي والتحليل الحراري الديناميكي. يتم استخدام هذه الأساليب لتحديد الخصائص الحرارية للمواد، مثل درجة الحرارة التي تتحول فيها المادة من حالة صلبة إلى سائلة أو من سائلة إلى غازية، وكذلك الحرارة المطلوبة للتغير في حالة المادة. يمكن استخدام هذه المعلومات لتحديد الخصائص الفيزيائية والكيميائية للمواد، مثل الكثافة والتوصيل الحراري والتوصيل الكهربائي.

تعتمد التقنيات المستخدمة في تصنيع الآلات والمعدات الصناعية على نوع الصناعة والاستخدام المقصود للمنتج. ومن ضمن هذه التقنيات:

1. الآلات الكهربائية: تستخدم في قطع المواد وتشكيلها باستخدام الكهرباء.

2. الآلات الهيدروليكية: تستخدم في الصناعة الثقيلة مثل الشحنات الثقيلة والعمليات الصناعية الأخرى.

3. الآلات التشكيلية: تستخدم في إنتاج المنتجات المعدنية والبلاستيكية والخشبية.

4. الآلات العددية: تستخدم في صناعة السيارات والقطع وغيرها.

5. الروبوتات: تستخدم في الطحن والحفر والقطع والتحريك الدقيق للمواد المعدنية وغيرها.

6. التقنيات الحرارية: تستخدم لإنتاج المواد الصناعية الحرارية مثل الفرن والأفران.

7. تقنيات الطباعة 3D: تستخدم لإنتاج منتجات ثلاثية الأبعاد باستخدام الطباعة الحديثة.

8. الأتمتة الصناعية: تستخدم في تشغيل الآلات الصناعية بصورة تلقائية باستخدام الحواسيب والبرامج الحديثة.

9. التقنيات المتطورة: تستخدم في صناعة المعادن الدقيقة والأجزاء الالكترونية والتقنية الحيوية.

هناك العديد من التقنيات المستخدمة في تحسين أداء المطاط والبلاستيك والألياف الزجاجية، ومن بين هذه التقنيات:

1- تعزيز المواد المضافة: يتم إضافة مواد مثل المواد التعزيزية والملدنات والحشوات لتحسين الخواص الميكانيكية للمواد.

2- تحسين عملية الإنتاج: يتم تحسين عملية الإنتاج لتحسين الخواص الفيزيائية والميكانيكية للمواد.

3- التركيب الجزيئي: يتم تحسين التركيب الجزيئي للمواد لتحسين الخواص الميكانيكية للمواد.

4- التصميم الهندسي: يتم تحسين التصميم الهندسي للأجزاء المصنوعة من المطاط والبلاستيك والألياف الزجاجية لتحسين الخواص الميكانيكية للأجزاء.

5- التقنيات الحرارية: يتم استخدام التقنيات الحرارية مثل التسخين والتبريد والتشكيل الحراري لتحسين الخواص الميكانيكية للمواد.

تستخدم مجالات الفيزيائية الجزيئية في الكشف عن المواد الخطرة في الكيمياء الفوق جزيئية بعدة طرق، منها:

1- تقنية الاستشعار البصري: حيث يتم استخدام تقنيات الامتصاص والتشتت والتخلخل لقياس الطيف الضوئي وتحديد توزيع الطاقة الطيفية للعينة، ويتم استخدام هذه الطريقة للكشف عن المواد الخطرة المشتركة.

2- تقنية الاستشعار الحراري: حيث يتم استخدام التقنيات الحرارية والحرارية الكهروكيميائية والحرارية الإشعاعية للكشف عن المواد الخطرة في الهواء والحماية الشخصية، ويتم استخدام هذه الطريقة للكشف عن الغازات السامة.

3- تقنية الإساءة الماسحة الضوئية: حيث يتم استخدام التقنيات الميكانيكية والبصرية والكهرومغناطيسية لكشف عن التهديدات الإرهابية الخطيرة، ويتم استخدام هذه الطريقة لمراقبة المواد الكيميائية والمتفجرات والمخدرات والمتفجرات.

يمكن استخدام تقنيات التحليل العمومي في الكيمياء الفوق جزيئية بالطرق التالية:

1. التحليل الطيفي: يتم استخدام هذه التقنية لتحليل الأشعة فوق البنفسجية والمرئية وتحت الحمراء لتحديد خصائص المركبات الكيميائية وتحديد المجموعة الوظيفية الموجودة في المركبات.

2. الكروماغرافيا: يتم استخدام هذه التقنية لفصل مكونات عينة الغاز في غرفة التفريغ المشتركة أو في الكروماغرافيا الغازية. يتم استخدام تقنيات التحليل العمومي لتحديد وتحليل مفردات الغاز.

3. التحليل الكهروكيميائي: يتم استخدام هذه التقنية لتحليل الخصائص الكيميائية للمركبات، باستخدام الكهرباء. ويتم فيها استخدام تقنيات الابتعاد عن الحركة الإلكترونية لتحديد التركيبات المختلفة في المركبات.

4. التقنيات الحرارية: يتم استخدام هذه التقنية لتحليل الخصائص الحرارية للمركبات المختلفة. يمكن استخدام الحرارة في هذه التقنيات لفصل مكونات العينة بالحرارة وكذلك لتحسين التركيب الجزيئي للمواد.

تشمل الأدوات المستخدمة في الكيمياء الفوق جزيئية العديد من الأدوات المستخدمة في الكيمياء العضوية والفيزيائية الكيميائية، بما في ذلك:

1- الطيفية الاهتزازية: مثل الطيف الرامان والطيف الأشعة تحت الحمراء.

2- التصوير الإلكتروني المجهري: مثل المجهر الإلكتروني للنقل والمجهر الإلكتروني الماسح.

3- التقنيات الحيودية: مثل التحليل الديناميكي للضوء المبعثر.

4- الطرق الكهروكيميائية: مثل الكهرباء الاستاتيكية.

5- الطرق الطيفية الضوئية: مثل الطيف القطبي.

6- التقنيات الحرارية: مثل الحرارة المنخفضة والحرارة العالية.

7- التقنيات النيوترونية: مثل التفاعلات النووية.

8- التقنيات الليزرية: مثل الليزر الأزرق.

9- التقنيات الطيفية الإلكترونية: مثل الطيف الإلكتروني المرئي.

10- التقنيات النانوية: مثل النانوبيولوجي.