بحث عن طرق انتقال الحرارة
الحرارة
الحرارة هي أحد أشكال الطاقة التي تُعبر عن مستوى حركة العناصر المكونة للأجسام، والتي يمكن نقلها من جسم لآخر، تنتقل الحرارة تلقائياََ من الأجسام التي تكون درجة حرارتها مرتفعة إلى الأجسام منخفضة درجة الحرارة للوصول إلى حالة توازن بينهما، أما انتقال الحرارة بين الأجسام المتساوية في درجة الحرارة، أو من الأجسام منخفضة درجة الحرارة إلى الأجسام مرتفعة درجة الحرارة، فيمكن حدوثه؛ إلا أنه يحتاج لبذل شغل أو لمضخة حرارية.[١]
يعتقد البعض أن الحرارة (بالإنجليزية: Heat) ودرجة الحرارة (بالإنجليزية: Temperature) مترادفان يُعبران عن المصطلح ذاته؛ إلا أن الحرارة ودرجة الحرارة بالرغم من ارتباطهما ببعضهما البعض يعبران عن مفهومَين مختلفَين؛ إذ يُشير مفهوم الحرارة إلى الطاقة الحرارية التي يختزها جسم ما، بينما درجة الحرارة هي مقياس لمقدار هذه الطاقة.[٢]
طرق انتقال الحرارة
تنتقل الحرارة بثلاث طرق، وهي التوصيل الحراري، وتيارات الحمل الحراري، والإشعاع الحراري، وفيما يلي بعض المعلومات الموجزة عن طرق النقل الثلاث:
التوصيل الحراري
يُقصد بالتوصيل الحراري (بالإنجليزية: Heat Conduction) انتقال الحرارة عبر الأجسام الصلبة نتيجة اهتزاز وحركة الذرات والجزيئات في جسم ما؛ مما يؤدي إلى نقل جزء من طاقتها الحرارية إلى الذرات والجزيئات المجاورة لها، ويمكن توضيح ذلك بما يحدث عند تسخين طرف قضيب معدني، فتكتسب الذرات المكونة له طاقة تُمكنها من الاهتزاز ونقل طاقتها للذرات القريبة منها، والتي بدورها تكتسب طاقة وتهتز وتنقل طاقتها للذرات المجاورة لها، وهكذا إلى أن يفقد الطرف الساخن جزءاً من حرارته، ويتلاشى الفرق في درجة حرارة أجزاء القضيب بمرور الوقت ويقترب من حالة التوازن الحراري (بالإنجليزية: thermal equilibrium).[١][٣]
تعتمد قدرة المواد على نقل الحرارة على درجة توصيلها للحرارة أو ما يُسمى الناقلية، أو الموصلية الحرارية (بالإنجليزية: Thermal conductivity)، فكلما ازدادت الناقلية الحرارية للمادة ازدادت كفاءتها في التوصيل الحراري، وتُعد المعادن من المواد ذات التوصيل الحراري العالي، ويتناسب التوصيل الحراري فيها طردياً مع التوصيل الكهربائي (مع وجود استثناءات)، فالألماس على سبيل المثال يتميز بموصلية حرارية عالية؛ لكن توصيله الكهربائي ضعيف، ومن الجدير بالذكر أن قِيَم الناقلية الحرارية للمواد تكون شديدة الأهمية في مجال إنشاء المباني المعزولة حرارياً، ويوضح الجدول الآتي الموصلية الحرارية لبعض المواد بوحدة واط/متر/كلفن.[٤]
| المادة | الناقلية الحرارية بوحدة واط/متر/كلفن |
|---|---|
| الإسمنت، بورتلاند | 0.29 |
| خرسانة، حجر | 1.7 |
| الهواء | 0.025 |
| الخشب | 0.04 – 0.4 |
| الكحول والزيوت | 0.1 – 0.21 |
| إيروجل السيليكا | 0.004-0.03 |
| التربة | 1.5 |
| المطاط | 0.16 |
| الماء | 0.6 |
| المعجون الحراري | 0.7 – 3 |
| الإيبوكسي الحراري | 1 – 4 |
| الزجاج | 1.1 |
| الثلج | 2 |
| الحجر الرملي | 2.4 |
| الصُلب المقاوم للصدأ | 12.11 ~ 45.0 |
| الرصاص | 35.3 |
| الألمنيوم | 237 |
| الذهب | 318 |
| النحاس | 401 |
| الفضة | 429 |
| الألماس | 900 – 2320 |
| الغاز النفطي المُسال | 0.26 |
تيارات الحمل الحراري
الحمل الحراري (بالإنجليزية: Convection Currents) هو وسيلة انتقال الحرارة والكتلة في آن واحد في الموائع (السوائل والغازات)؛ نتيجة اختلاف درجة حرارة المادة، وبالتالي كثافتها، ومن الأمثلة المعروفة على تيارات الحمل الحراري ما يحدث عند تسخين الماء في وعاء على الموقد، فعندما يسخن الماء القريب من مصدر الحرارة يكتسب طاقة حركية وتقل كثافته فيرتفع لسطح الوعاء، وعند السطح يبرد الماء قليلاََ نتيجة التبخر فتنزل بعض جزيئات الماء للأسفل، وتتكرر العملية حتى يسخن الماء كله، ويوجد نوعان من أشكال الحمل الحراري، وهي:[٥][٦]
- الحمل الحراري الحر أو الطبيعي (بالإنجليزية: Natural convective heat transfer): وهي تيارات الحمل التي تنشأ عن قوة طفو السوائل نتيجة اختلاف درجة حرارتها واختلاف كثافتها بدون تدخل قوى خارجية.
- الحمل القسري (بالإنجليزية: Forced convection): وفيه تنتقل دقائق السائل نتيجة وجود تيارات قسرية تُولدها قوى خارجية أو أجهزة، مثل المراوح والمضخات، كما يحدث عند تسخين الطعام في فرن مُزود بمروحة تعمل على نقل الهواء الساخن بشكل أسرع مما قد يحدث بشكل طبيعي نتيجة التسخين بدون وجود المروحة.
الإشعاع الحراري
يُعرَف الإشعاع الحراري (بالإنجليزية:Thermal radiation) بأنه طريقة انتقال الطاقة الحرارية على شكل إشعاع كهرومغناطيسي ينتقل بسرعة الضوء في جميع الاتجاهات دون الحاجة إلى وجود وسط مادي لحمله، ومن الأمثلة عليه انتقال حرارة الشمس إلى الأرض. يتراوح الطول الموجي للإشعاع الحراري ما بين الطول الموجي الأكبر وهو الطول الموجي للأشعة تحت الحمراء، إلى الطول الموجي الأقصر للأشعة فوق البنفسجية، مروراََ بالضوء المرئي الذي يقع بينهما، وتعتمد كمية الطاقة التي يحملها الإشعاع علي طبيعة السطح الباعث للأشعة ودرجة حرارته. من الأمثلة على انتقال الحرارة بالإشعاع تدفئة المنزل بموقد مفتوح، إذ تتولد من الطوب الساخن، والفحم، واللهب إشعاعات حرارية تنتقل مباشرة إلى الأجسام في الغرفة، ولا يمتص الهواء إلا القليل من الحرارة.[٧]
مصطلحات وتعريفات
في ما يلي بعض المصطلحات التي تتعلق بالحرارة:[٨]
- الديناميكا الحرارية (بالإنجليزية: Thermodynamics): أحد فروع علم الفيزياء الذي يبحث في انتقال الحرارة وعلاقتها بأشكال الطاقة المختلفة، كما أنه يبحث في علاقة الحرارة بالضغط، والكثافة، ودرجة الحرارة.
- التمدُد الحراري (بالإنجليزية: Thermal Expansion): ازدياد حجم المادة نتيجة اكتسابها حرارة، ويقابلها الانكماش الحراري (بالإنجليزية: Thermal contraction).
- عمليات الحركة الحرارية (بالإنجليزية: Thermodynamic Processes): عمليات تتعلق بتغيُر الطاقة داخل النظام، وترتبط عادةََ بالضغط، والحجم، ودرجة الحرارة وأشكال انتقال الطاقة، ومنها:
- عملية كظيمة أو لا تبادلية (بالإنجليزية: Adiabatic process): عملية تتم دون حدوث انتقال حرارة من النظام أو إليه.
- عملية ثابتة الحجم (بالإنجليزية: Isochoric process): عملية لا يقوم النظام خلالها ببذل جهد، ولا يتغير حجمه.
- عملية ثابتة الضغط (بالإنجليزية: Isobaric process): عملية لا يتغير خلالها الضغط.
- عملية ثابتة درجة الحرارة (بالإنجليزية: Isothermal process): عملية لا تتضمن تغيُراً في درجة الحرارة.
- حالة المادة (بالإنجليزية: States of Matter): وصف للتركيب الفيزيائي للمادة، ومدى ترابط مكوناتها مع بعضها البعض، ومن حالات المادة: المادة الصلبة، والغازية، والسائلة، والبلازما، والميوعة الفائقة، ويمكن للمادة أن تتحول من حالة لأخرى مثل:
- الذوبان: تحوُل المادة الصلبة إلى سائلة.
- التجمُد: تحوُل المادة االسائلة إلى مادة صلبة.
- التكاثف: تحول الغاز إلى سائل.
- التبخُر: تحوُل المادة السائلة إلى غاز.
- التسامي: تحول المادة الصلبة إلى غاز.
- السعة الحرارية (بالإنجليزية: Heat Capacity): مقدار التغير في الطاقة الحرارية للجسم بالنسبة لتغيُر درجة حرارته.
- الموصل الحراري (بالإنجليزية: Thermal conductor): المادة التي تكون سعتها الحرارية منخفضة، لذلك فهي تحتاج لكمية قليلة من الطاقة لتغيير درجة حرارتها.
- المادة العازلة حرارياََ (بالإنجليزية: Thermal insulator): المادة التي تحتاج للكثير من الطاقة الحرارية حتى تتغير درجة حرارتها، وتكون سعتها الحرارية عالية.
المراجع
- ^ أ ب “Heat”, www.newworldencyclopedia.org,9-6-2016، Retrieved 30-1-2018. Edited.
- ↑ “Heat vs Temperature”, coolcosmos.ipac.caltech.edu, Retrieved 30-1-2018. Edited.
- ↑ Andrew Jones (18-3-2017), “Conduction Definition in Physics”، www.thoughtco.com, Retrieved 30-1-2018. Edited.
- ↑ “Thermal conductivity”, www.newworldencyclopedia.org,25-11-2015، Retrieved 30-1-2018. Edited.
- ↑ Anne Helmenstine (8-3-2017), “Convection Currents – Definition and Examples in Science”، www.thoughtco.com, Retrieved 30-1-2018. Edited.
- ↑ “Convection”, www.newworldencyclopedia.org,22-3-2017، Retrieved 30-1-2018. Edited.
- ↑ “Thermal radiation”, www.britannica.com,17-11-2017، Retrieved 30-1-2018. Edited.
- ↑ Andrew Zimmerman Jones (10-7-2017), “Thermodynamics Overview”، www.thoughtco.com, Retrieved 30-1-2018. Edited.