اختبارات عملية على انتقال الحرارة

مقدمة في انتقال الحرارة

انتقال الحرارة هو عملية طبيعية يتم من خلالها نقل الطاقة الحرارية من جسم ذي درجة حرارة أعلى إلى جسم ذي درجة حرارة أقل. يعتبر انتقال الحرارة جزءًا أساسيًا من حياتنا اليومية، حيث نستخدمه في تطبيقات متعددة مثل الطهي والتدفئة والتبريد. هناك عدة طرق لانتقال الحرارة، بما في ذلك التوصيل الحراري، والحمل الحراري، والإشعاع الحراري. في هذا المقال، سنستكشف بعض التجارب العملية البسيطة التي توضح مفهوم التوصيل الحراري وكيفية تأثير المواد المختلفة ودرجات الحرارة على هذه العملية.

الاختبار الأول: تأثير المواد المختلفة

يهدف هذا الاختبار إلى توضيح كيفية تأثير المواد المختلفة على سرعة التوصيل الحراري. سنستخدم الماء الساخن وثلاث ملاعق مصنوعة من مواد مختلفة لمراقبة كيفية انتقال الحرارة عبرها.

الأدوات المطلوبة:

• موقد كهربائي أو غاز.
• وعاء معدني مملوء بالماء.
• ثلاث ملاعق مصنوعة من: خشب، معدن (مثل الفولاذ المقاوم للصدأ)، وبلاستيك.
• كمية صغيرة من الزبدة.

الخطوات:

1. ضع الوعاء المملوء بالماء على الموقد وقم بتسخينه حتى يبدأ الماء في الغليان أو يقترب من ذلك.
2. ضع الملاعق الثلاث في الوعاء بحيث يكون جزء منها مغمورًا في الماء الساخن.
3. اترك الملاعق في الماء لبضع دقائق حتى تسخن.
4. ضع كمية صغيرة من الزبدة على نهاية كل ملعقة (الجزء غير المغمور في الماء).
5. راقب ما يحدث للزبدة على كل ملعقة. سترى أن الزبدة تذوب بمعدلات مختلفة حسب نوع المادة المصنوع منها الملعقة.

الملاحظات:

ستلاحظ أن الزبدة الموجودة على الملعقة المعدنية تذوب بسرعة كبيرة، بينما تذوب الزبدة على الملعقة الخشبية ببطء أكبر. أما الزبدة الموجودة على الملعقة البلاستيكية فقد لا تذوب على الإطلاق أو تذوب ببطء شديد.

الاستنتاج:

يوضح هذا الاختبار أن المعادن موصلات جيدة للحرارة، حيث تنقل الحرارة بسرعة وكفاءة. الخشب والبلاستيك يعتبران عوازل حرارية، حيث يقاومان انتقال الحرارة.

الاختبار الثاني: استخدام البالونات

في هذه التجربة، سنستخدم بالونين لإظهار كيفية تأثير وجود الماء على انتقال الحرارة وتأثيره على البالون.

الأدوات المطلوبة:

• بالونان.
• شمعة.
• ماء.

الخطوات (العملية الأولى):

1. انفخ البالون الأول بحيث يكون حجمه مناسبًا.
2. أشعل الشمعة.
3. ضع البالون فوق لهب الشمعة على مسافة تتراوح بين 3 و 5 سم.
4. راقب ما سيحدث.

الملاحظات (العملية الأولى):

سينفجر البالون بعد بضع ثوانٍ من وضعه فوق اللهب.

الاستنتاج (العملية الأولى):

الحرارة الناتجة عن اللهب تنتقل مباشرة إلى سطح البالون، مما يضعف مادته ويؤدي إلى انفجاره بسبب ضغط الهواء الداخلي.

الخطوات (العملية الثانية):

1. املأ البالون الثاني بالماء حتى المنتصف.
2. ضع البالون المملوء بالماء فوق لهب الشمعة مرة أخرى.
3. راقب ما سيحدث.

الملاحظات (العملية الثانية):

لن ينفجر البالون على الفور. قد يستغرق وقتًا أطول بكثير قبل أن ينفجر، أو قد لا ينفجر على الإطلاق إذا لم يتعرض للحرارة لفترة طويلة جدًا.

الاستنتاج (العملية الثانية):

الماء الموجود داخل البالون يمتص الحرارة من اللهب. الماء لديه قدرة حرارية عالية، مما يعني أنه يمكنه امتصاص كمية كبيرة من الحرارة دون أن ترتفع درجة حرارته بسرعة. هذا يمنع سطح البالون من التسخين الزائد والانفجار.

الاختبار الثالث: تأثير درجة الحرارة

يوضح هذا الاختبار كيف تؤثر درجة الحرارة على حركة الجزيئات وبالتالي على سرعة انتشار الحرارة.

الأدوات المطلوبة:

• ثلاثة أوعية زجاجية شفافة.
• ماء ساخن.
• ماء بارد (يمكن إضافة مكعبات ثلج ثم إزالتها قبل التجربة).
• ماء بدرجة حرارة الغرفة (حوالي 22 درجة مئوية).
• ملون طعام (ألوان مختلفة).
• قلم وورق لتسجيل الملاحظات.
• لاصق لتسمية الأوعية.

الخطوات:

1. املأ كل وعاء بالماء بدرجة الحرارة المحددة.
2. ضع لاصقًا على كل وعاء واكتب عليه درجة حرارة الماء (ساخن، بارد، درجة حرارة الغرفة).
3. أضف قطرة من ملون الطعام إلى كل وعاء في نفس الوقت.
4. راقب كيف ينتشر اللون في كل وعاء.

الملاحظات:

ستلاحظ أن ملون الطعام ينتشر بسرعة أكبر في الماء الساخن، يليه الماء بدرجة حرارة الغرفة، وأبطأ انتشارًا في الماء البارد.

الاستنتاج:

تتحرك الجزيئات بشكل أسرع في الماء الساخن بسبب الطاقة الحرارية التي تزيد من حركتها. هذا يسمح لملون الطعام بالانتشار بسرعة أكبر. في الماء البارد، تكون حركة الجزيئات أبطأ، مما يؤدي إلى انتشار أبطأ لملون الطعام. هذه التجربة توضح العلاقة المباشرة بين درجة الحرارة وحركة الجزيئات وتأثيرها على انتقال الحرارة.

قال تعالى: {الَّذِي جَعَلَ لَكُم مِّنَ الشَّجَرِ الْأَخْضَرِ نَارًا فَإِذَا أَنتُم مِّنْهُ تُوقِدُونَ} [يس: 80].

المصادر

• Bess Ruff, MA (18/10/2021), “how to do a simple heat conduction experiment “,wikihow, Retrieved 14/1/2022. Edited.
• “Heat Conduction Experiment”,layers of learning, Retrieved 14/1/2022. Edited.
• “How to Do a Simple Heat Conduction Experiment”,How to, 20/11/2022, Retrieved 14/1/2022. Edited.