ما الطريقه التي تنتقل بها الحراره في الفراغ ؟ .. بالأمثلة

الطريقة التي تنتقل بها الحرارة في الفراغ

تنتقل الحرارة في الفراغ من خلال الإشعاع

وهي أحد

طرق انتقال الحرارة

المتعارف عليها، وتحدث هذه الطريقة خلال أي وسط شفاف سواء كان صلب أو سائل أو غاز.

و في الفراغ، يحدث انتقال الحرارة من خلال الوضع الإشعاعي لنقل الحرارة فقط وذلك لأن طرق نقل الحرارة الآخرى مثل الحمل والتوصيل تحتاج لوجود وسط مصنوع من مادة الجسيمات لنقل الحرارة، أما في الفراغ لا توجد أي مواد لذلك الحل الوحيد حتى تنتقل الحرارة هو الإشعاع الكهرومغناطيسي الذي لا يحتاج إلى أي وسيط للانتشار.[1]

أمثلة على إنتقال الحرارة في الفراغ

• 
  انتقال الحرارة في رقائق الكمبيوتر.
  
• 
  الأجزاء الإلكترونية النانوية الصغيرة جداً.
  
• 
  انتقال حرارة الشمس إلى الأرض.
  
• 
  إشعاع الميكروويف المنبعث من الفرن.
  
• 
  الأشعة فوق البنفسجية القادمة من الشمس.
  
• 
  إطلاق جسيمات ألفا أثناء تحلل
  
  
  اليورانيوم
  
  
  238 إلى ثوريوم -234 مثالاً آخر على الإشعاع.[4]
  

ميكانيكية انتقال الحرارة في الفراغ

في الغالب يحدث انتقال للحرارة في المواد الصلبة عن طريق الإلكترونات أو الاهتزازات الذرية والتي يطلق عليها الفونونات، أما في تنتقل الحرارة عن طريق الإشعاع ولكن ليس عن طريق الفونونات بسبب عدم وجود وسيط.

ولكن توقعت أحدى الدراسات أن التغيرات الكمومية للمجالات الكهرومغناطيسية تساعد على تحفيز اقتران الفونون عبر الفراغ وبالتالي تسهل نقل الحرارة.

ومن خلال إحدى الظواهر التي تم اكتشافها حديثة ” ظاهرة ميكانيكا الكم، اكتشف أن الحرارة يمكن أن تنتقل أكثر من مائتين أو ثلاثمائة نانومتر في الفراغ.

على الرغم من أن هذا التفاعل يتم ملاحظته فقط على مقاييس الطول الغير طويلة جداً، إلا أن هذا الأكتشاف هام بشكل كبير في صناعة كل من رقائق الكمبيوتر والأجزاء الإلكترونية النانوية.

ومن التجارب الشهيرة التي تثبت أن الحرارة تنتقل في الفراغ، هي تجربة الغشاءين المصنوعين من نيتريد السيليكون ومطليين بالذهب التي تم وضعهم داخل غرفة، وعندما قاموا بتسخين أحد الأغشية، تم تسخين الآخر أيضًا على الرغم من عدم وجود أي شيء يربط بين الغشاءين وتمر طاقة ضوئية قليلة جداً بينهم.

وهذه التجربة فتحت الكثير من الفرض للإدارة الحرارية على المستوى النانوي ، وهو شئ هام للحسابات عالية السرعة وتخزين البيانات، حيث تمكن العلماء من استخراج الحرارة في الدوائر الإلكترونية المتكاملة.

وقال أحد العلماء في جامعة كاليفورنيا في بيركلي أن “حتى لو لم يكن هناك مساحة بغض النظر عن الضوء فإن ميكانيكا الكم تقول إنه لا يمكن أن يكون فارغًا، ولكن لا تزال هناك بعض تقلبات المجال الكمومي في الفراغ، و تؤدي هذه التقلبات إلى تكوين قوة تربط بين شيئين، وهو ما يسمى


تفاعل كازيمير


، لذلك عندما يسخن جسم واحد ويبدأ في الاهتزاز والتذبذب، يمكن أن تنتقل هذه الحركة إلى الغرض الآخر عبر الفراغ بسبب هذه التقلبات الكمية”.

كما قام العلماء بختيار حجم وتصميم الأغشية بطريقة صحيحة وذلك ساعدهم في القيام بنقل الطاقة الحرارية عبر بضع مئات من النانومترات في الفراغ، حيث كانت هذه المسافة بعيدة في السابق لأن طرق نقل الحرارة الأخرى كانت لا تسبب انتقال الحرارة في الفراغ مثل الطاقة التي يحملها الإشعاع الكهرومغناطيسي وهي تشبه الطريقة التي تعمل بها الطاقة من الشمس على تسخين الأرض.[3]

الطرق الأساسية للانتقال الحرارة

تتحرك الحرارة بثلاث طرق هما الإشعاع والتوصيل والحمل الحراري وسوف نتحدث عنهم باستفاضة في السطور التالية:

• 
  
  الإشعاع
  
  

يحدث الإشعاع عندما تتحرك الحرارة كموجات طاقة، أو موجات الأشعة تحت الحمراء بشكل مباشر من موقعها الأساسي إلى مكان آخر، وكما أوضحنا فيما سبق أن هذه هي الطريقة التي تصل بها حرارة الشمس من الفضاء إلى الأرض.

تعد موجات الأشعة تحت الحمراء جزءًا من طيف موجات الطاقة المعروفة باسم الطيف الكهرومغناطيسي، ويشمل الطيف الكهرومغناطيسي جميع أنواع الطاقة التي يمكن أن تنتقل في موجات، بما في ذلك الضوء والحرارة والأشعة السينية وموجات الراديو والموجات فوق البنفسجية والموجات الدقيقة.

كل هذه الأنواع من الموجات تحتوي على الكثير من الطاقة. أيضًا  يمكنهم جميعًا الانتقال عبر الفضاء الواسع، لهذا السبب ترى ضوء الشمس من النجوم التي تبعد بلايين السنين الضوئية عن الأرض.

• 
  التوصيل
  

التوصيل هو أحد الطرق الأخرى لانتقال الحرارة ولكن هنا يحتاج وجود وسيط حتى تنتقل الحرارة، حيث تلامس الحرارة مع  أي مادة يمكن أن تلمسه فإنها تجعل الذرات والجزيئات تتحرك، وبتالي عندما تتحرك الذرات أو الجزيئات فيحدث تصادم بذرات أو جزيئات أخرى، مما يجعلها تتحرك أيضًا، وبالتالي تتصادم مع جزيئات أخرى مما يسبب الحركة وبهذا المنوال يحدث انتقال الحرارة  خلال أي مادة.

ومن أشهر الأمثلة على انتقال الحرارة بالتوصيل

هو انتقال سخونة الإناء إلى المقبض بمجرد ملامسة الإناء لمصدر الحرارة حيث تبدأ الحرارة المنطلقة من الموقد الجزيئات التي تلامس الحارق في التحرك، ثم يحدث تصادم بين هذه الجزيئات بالآخرين في الإناء، مما يصطدم بجزيئات أخرى، حتى تتحرك جميع الجزيئات الموجودة في الإناء، بما في ذلك الموجودة في المقبض، وعندما يلمس الإنسان المقبض، فإنه يشعر بالحرارة، وذلك بسبب انتقال الحرارة من الموقد إلى يد الطباخ من خلال التوصيل.

• 
  الحمل الحراري
  

يحدث انتقال الحرارة عن طريق الحمل الحراري على الأرض بشكل شائع ولكن لا يحدث هذا في الفضاء بسبب عدم وجود جاذبية مثل الموجودة بالأرض، وفي الغالب يحدث الحمل الحراري في حالة تسخين مادة يمكن أن تتدفق، مثل الماء أو الهواء مع وجود عنصر الجاذبية، حيث تعمل الجاذبية على سحب المادة بالكامل لأسفل، مما يجعل قاع الهواء أو الماء أكثر كثافة لأنه يتم سحبه لأسفل ودفعه أيضًا لأسفل بواسطة وزن الجزيئات الموجودة فوقه.

وعندما توجد حرارة في قاع هذا الهواء أو الماء، تبدأ جزيئات الهواء أو الماء الملامسة للحرارة في التحرك، مما يجعل الجزيئات تنتشر بشكل متباعد، وبتالي يصبح الهواء الساخن أو الماء أقل كثافة، وبالتالي ترتفع حتى تصل إلى الهواء أو الماء بنفس الكثافة، وعندما تصل إلى هذا الحد فإنها تدفع الهواء أو الماء الذي كان موجود بعيدًا عن الطريق، وفي نفس هذا الوقت يحدث امتلاء جديد للمساحة التي تم إخلاؤها عندما ارتفعت الجزيئات الساخنة، ثم يسقط الهواء أو الماء الذي يتم دفعه بعيدًا عن الطريقة، وهذا يتسبب في حدوث حركة دائرية، مما يجعل تسخين الهواء أو الماء في الأسفل، وينتقل إلى الأعلى ويبرد ويصبح أكثر كثافة وينزل ثم يسخن مرة أخرى وتبدأ الدورة تتكرر مرة اخرى.

ومن الامثلة الواضحة على انتقال الحمل الحراري

هي الأفران حيث تعمل ملفات التسخين الموجودة في المنطقة السفلية من الفرن على تسخين الهواء الذي ينتقل إلى الأعلى ويبرد قليلاً ثم ينتقل مرة أخرى إلى الأسفل.[2]