تعدّ الطاقة الحرارية أحد أشكال الطاقة الأكثر شهرةً بين الناس والتي يعود إليها فضل كبيرٌ في التطوّر الذي نشهده في العصر الحالي على مستوى الطاقة والآلات المتطوّرة والصناعات التي نشهدها في الوقت الحالي، فيتمّ إنتاج معظم أشكال الطاقة التي نشهدها في الوقت الحالي عن طريق الطاقة الحرارية والتي يتمّ إنتاجها عن طريق حرق الوقود الأحفوريّ، ومن ثم تحويلها بطرقٍ مختلفةٍ إلى أشكال الطاقة الأخرى كالطاقة الكهربائيّة في محطات توليد الطاقة الكهربائية التي تعمل على الوقود الأحفوريّ، أو كما في محركات الاحتراق الداخليّ المستخدمة في وسائل النقل المختلفة والعديد من الآلات الأخرى، وفي المصانع أيضاً وغيرها.
يعتبر انتقال الحرارة فرعاً من الهندسة الحرارية يهتم بتوليد الطاقة الحرارية (الحرارة أو كمية الحرارة) واستخدامها وتحويلها وتبادلها بين المنظومات الفيزيائية. يصنف انتقال الحرارة إلى آليات مختلفة مثل التوصيل الحراري، والحمل الحراري، والإشعاع الحراري، وانتقال الطاقة بالتحولات الطورية. يدرس المهندسون أيضًا انتقال الكتلة مختلفة الصنف الكيميائي، سواءً ساخنة أو باردة، لتحقيق انتقال الحرارة. في حين تتمتع هذه الآليات بمزايا مختلفة، فإنها غالبًا ما تحدث بشكل متزامن في نفس المنظومة.

توصيل الحرارة، ويسمى أيضًا الانتشار الحراري، هو التبادل الميكروسكوبي المباشر للطاقة الحركية للجزيئات عبر حدود المنظومتين. حين يمتلك شيء ما درجة حرارة مختلفة عن جسم آخر أو عن محيطه، تتدفق الحرارة حتى يصل الجسم ومحيطه إلى نفس درجة الحرارة، فيما يدعى بالتوازن الحراري. يحدث انتقال الحرارة العفوي (الطبيعي) هذا دائمًا من منطقة ذات درجة حرارة مرتفعة إلى منطقة أخرى منخفضة درجة الحرارة، كما يصف قانون الديناميكا الحراري الثاني.

يحدث انتقال الحرارة بالحمل عندما يحمل تيار جارٍ من المائع (سائل أو غاز) المتدفق الحرارة مع تدفق المادة في المائع. قد يكون تدفق المائع مدفوعًا بعمليات خارجية، أو في بعض الحالات (في الحقول الثقالية) بواسطة قوى الطفو التي يسببها تمديد الطاقة الحرارية للمائع (كما في أعمدة الدخان)، مؤثرةً بذلك على انتقالها نفسها -أي الطاقة الحرارية-. غالبًا ما تدعى العملية الأخيرة «الحمل الطبيعي». كل العمليات الحملية تحرك الحرارة جزئيًّا بالانتشار (التوصيل) أيضًا. شكل آخر من الحمل هو الحمل القسري. في هذه الحالة يجبر المائع على الجريان باستخدام مضخة، أو مروحة، أو وسيلة ميكانيكية أخرى.

يحدث الإشعاع الحراري عبر الخلاء أو أي وسط شفاف (صلب أو سائل أو غاز). وهو انتقال الطاقة عن طريق الفوتونات في الموجات الكهرطيسية والمحكوم بنفس القوانين.

طرق انتقال الطاقة الحرارية

يعدّ علم انتقال الطاقة الحرارية أحد العلوم الهامّة جدّاً في العصر الحالي، والذي يتمّ دراسته بأدقّ تفاصيله لزيادة كفاءة الطاقة التي نقوم بنقلها ممّا سيسهم في زيادة كفاءة جميع الآلات الأخرى، وكما أنّ لكل علمٍ أساسياتٍ يرتكز عليها فإنّ علم انتقال الحرارة يعتمد على أساساتٍ معيّنة، وأحد هذه الأساسات وأهمّها هي الطرق التي تنتقل بها هذه الطاقة الحرارية والتي تنقسم إلى ثلاث أقسام كما يلي:

لا بدّ أنّنا جميعاً قد لامسنا شيئاً ساخناً في يومٍ من الأيام وأحسسنا بالحرارة تنتقل إلى يدنا شيئاً فشيئاً كأنّها تزحف في داخلها، أو لامسنا طرف قطعةٍ حديديةٍ للنار كإبريقٍ وأحسسنا فيما بعد بالحرارة في طرف الإبريق البعيد عن النار. يرجع التفسير في هذا إلى الطريقة الأولى لانتقال الطاقة الحرارية وهي الانتقال بالتوصيل، والتي تنتقل فيها الطاقة الحرارية عبر الأجسام الصلبة من المنطقة الأكثر حرارةً إلى الأقل منها وهكذا حتى تتساوى الطاقة في جميع الجسم فيتوقف انتقالها.

الحمل

أمّا التوصيل في الحمل فهو ما نستطيع من خلالها تفسير انتقال الطاقة الحرارية في الموائع المختلفة (السوائل والغازات)، فتنتقل الطاقة الحرارية من مصدر الحرارة سواء كان هذا المصدر هو اللهب، أو جسماً حديداً صلباً، أو حتى جسم الإنسان الذي يقوم بتبادل الطاقة مع الهواء المحيط به. عند انتقال الحرارة إلى الجزء الأقرب من مصدر الحرارة تقلّ كثافتها، فالموائع تقل كثافتها بازدياد درجة حرارتها على وجه العموم، وبسبب ذلك يرتفع هذا المائع إلى الأعلى دافعاً جزءاً آخر أقل حرارةً من المائع وأكثر كثافةً إلى الأسفل والذي يسخن بدوره بينما يفقد المائع الذي صعد إلى الأعلى حرارته بالتدريج، فيتبادلون الأماكن مرةً أخرى مكونين ما يعرف بتيارات الحمل، ويمكننا الإحساس بذلك أيضاً في حال وضعنا يدنا فوق اللهب مباشرةً إذ إنّنا سنحسّ بالحرارة تنتقل إلى الأعلى في الهواء نتيجة الحمل.

الإشعاع

أمّا هذه الطريقة فهي الطريقة التي تنتقل بها الطاقة الحراريّة من الشمس إلى الأرض، وهي السبب في شعورنا بحرارة اللهب في حال كنّا بجانبها أو بعيدين عنها، إذ إنّ جميع الأجسام التي تمتلك طاقةً حراريةً تقوم بإصدار موجاتٍ إشعاعيةٍ بترددات مختلفة اعتماداً على درجة حرارتها، فحتى الإنسان يقوم بإصدار هذه الموجات أيضاً وهو ما يسميه البعض بالهالة المحيطة بالإنسان، ويمكن لهذه الأشعة الانتقال عبر الفراغ فلا تحتاج إلى وسطٍ ناقل، وعند اصطدام هذه الأشعّة بالذرات فإنّها تقوم بنقل الطاقة الحرارية إلى هذه الذرات، وهذا هو السبب وراء إحساسنا بحرارة الشمس من على بعد آلاف الأميال.