طرق انتقال الحرارة
تنتقل الحرارة من جسم إلى آخر بثلاث طرق رئيسية، وهي:
التوصيل الحراري
يُعرف التوصيل الحراري بأنه انتقال الحرارة من خلال مادة صلبة نتيجة اهتزاز الذرات والجزيئات في الجسم. عندما يتم تسخين طرف من الجسم الصلب، تكتسب الذرات في ذلك الطرف طاقة حركية تُمكنها من الاهتزاز بقوة. وتُنقل هذه الطاقة الحركية إلى الذرات المجاورة لها، مما يجعلها تهتز بقوة أيضًا. تستمر هذه العملية في انتشار الطاقة من الذرات إلى الذرات المجاورة لها، حتى يصل تأثير الحرارة إلى كامل الجسم.
تُعرف قدرة المواد على نقل الحرارة بـ “الناقلية الحرارية” أو “الموصلية الحرارية”. تُعد المعادن من المواد ذات التوصيل الحراري العالي، بينما تُعد المواد مثل الخ و الزجاج أقل موصلة للحرارة.
يمكن توضيح التوصيل الحراري من خلال الأمثلة التالية:
- يسخن مقبض المقلاة عند تشغيل النار، وذلك بسبب نقل الحرارة من الجزيئات الساخنة في المقلاة إلى الجزيئات الباردة في المقبض.
- تُستخدم المكواة لكي الملابس باستخدام التوصيل الحراري. تنقل المكواة الحرارة إلى الملابس مما يؤدي إلى تمدد جزيئات الملابس وبالتالي تسوية جميع التجاعيد.
قوانين التوصيل الحراري
يُعرف قانون التوصيل الحراري بقانون فورييه، ويتم التعبير عنه بالصيغة الرياضية التالية:
“`
كمية التدفق الحراري = – موصلية المادة × التغير في درجة الحرارة
“`
وبالرموز:
“`
q = -k▽T
“`
حيث تشير الرموز إلى ما يأتي:
- q: كمية التدفق الحراري.
- k: موصلية المادة.
- ▽T: التغير في درجة الحرارة.
يمكن استخدام قانون فورييه لحساب كمية التدفق الحراري من خلال جسم ما عند معرفة موصلية المادة والتغير في درجة الحرارة.
أمثلة على قانون التوصيل الحراري
مثال 1:
ما هي كمية التدفق الحراري من خاتم فضة إلى جلد فتاة ترتدي هذا الخاتم إذا كانت درجة حرارة خاتم الفضة 30 درجة مئوية ودرجة حرارة الجلد 20 درجة مئوية؟
الحل:
موصلية الفضة = 429 واط/متر/كلفن.
بالتطبيق على قانون فورييه:
“`
q = – (429) × (30- 20)
“`
“`
q = -4290 واط/متر²
“`
مثال 2:
ما هي موصلية التربة إذا تم تغير درجة حرارتها من 37 درجة إلى 25 درجة وتم نقل حرارة مقدارها -18 واط/متر²؟
الحل:
بالتطبيق على قانون فورييه:
“`
-18 = k × (37- 25)
“`
“`
18 = 12 k
“`
“`
k = 1.5 واط/متر/كلفن
“`
تيارات الحمل الحراري
تيارات الحمل الحراري هي طريقة انتقال الحرارة من خلال الموائع (السوائل والغازات). تحدث هذه الظاهرة عندما تتغير درجة حرارة الموائع مما يؤدي إلى تغير كثافتها. تتدفق الموائع الأقل كثافة (الساخنة) لأعلى وتتدفق الموائع الأكثر كثافة (الباردة) للأسفل، مما يُشكل تيارات حمل.
هناك نوعان من تيارات الحمل الحراري:
- الحمل الحراري الحر أو الطبيعي: يحدث هذا النوع من التيارات عندما تُسخن الموائع بطريقة طبيعية دون وجود قوى خارجية. مثال على ذلك: تسخين الماء في وعاء على الموقد، عند تسخين الماء في قاع الوعاء يزداد حجمه وتقل كثافته مما يؤدي إلى ارتفاعه لأعلى، وعندما يبرد الماء على السطح تزداد كثافته وينزل للأسفل ليُحل محل ماء أكثر سخونة.
- الحمل القسري: يحدث هذا النوع من التيارات عندما تُسخن الموائع بواسطة قوى خارجية مثل المراوح و المضخات. مثال على ذلك: تسخين الطعام في فرن مزود بمروحة تُساعد على نقل الهواء الساخن بشكل أسرع من نقل الحرارة بشكل طبيعي.
قوانين الحمل الحراري
يتم حساب معدل انتقال الحرارة بفعل الحمل الحراري من خلال القانون التالي:
“`
معدل انتقال الحرارة = معامل الحمل × المساحة التي يتم من خلالها النقل × (درجة حرارة الوسط الأول – درجة حرارة الوسط الثاني)
“`
وبالرموز:
“`
H = KA (T1 – T2)
“`
حيث تشير الرموز إلى ما يلي:
- H: معدل انتقال درجة الحرارة.
- K: معامل الحمل.
- A: مساحة السطح المعرضة لتيار الحمل.
- T1: درجة حرارة الوسط الأول.
- T2: درجة حرارة الوسط الثاني.
أمثلة على قانون انتقال الحرارة بالحمل
مثال:
ما هو معدل انتقال الحرارة في ماء إذا كانت مساحة السطح تساوي 5 متر مربع ومعامل الحمل للماء يساوي 2500 واط/متر² كلفن حيث تم تغيير درجة الحرارة من 20 إلى 25 درجة مئوية؟
الحل:
بالتعويض في القانون:
“`
H = 2500 × 5 × (20 – 25)
“`
“`
H = 62500 واط
“`
الإشعاع الحراري
الإشعاع الحراري هو طريقة انتقال الحرارة من خلال الأشعة الكهرومغناطيسية التي تُصدرها الأجسام الساخنة في جميع الاتجاهات. تُعد الشمس مثالاً رائعاً على الإشعاع الحراري، حيث تنقل الشمس حرارتها إلى الأرض على شكل أشعة كهرومغناطيسية. تُسمى هذه الأشعة بـ “الأشعة تحت الحمراء”.
يعتمد معدل انتقال الحرارة بالإشعاع على درجة حرارة الجسم الباعث للأشعة وعلى طبيعة سطحه. تُعد الأجسام الداكنة أكثر فاعلية في امتصاص واصدار الأشعة الحرارية من الأجسام الفاتحة.
يمكن توضيح الإشعاع الحراري من خلال الأمثلة التالية:
- تُسخن الغرف بواسطة موقد مفتوح من خلال الإشعاع الحراري الذي تُصدره الطوب الساخنة و الفحم و اللّهب.
- تُعد أشعة الشمس مثالاً واضحاً على الإشعاع الحراري، حيث تُسخن الأرض والأجسام على سطحها من خلال الأشعة التحت الحمراء التي تُصدرها الشمس.
قوانين الإشعاع الحراري
صاغ العالم الفيزيائي الألماني جوستاف روبرت كيرشوف قانون كيرشوف للإشعاع الحراري، الذي ينص على أن كمية الطاقة المنبعثة من جسم ما تُساوي كمية الطاقة الممتصة من ذلك الجسم عند درجة حرارة وطول موجي معين.
يمكن التعبير عن هذا القانون بالصيغة التالية:
“`
الانبعاثية = الامتصاصية
“`
وبالرموز:
“`
emissivity ε = absorptivity α
“`
حيث إن:
- emissivity: الانبعاثية.
- absorptivity: الامتصاصية.
أمثلة على قانون الإشعاع الحراري
مثال:
ما هي امتصاصية الطلاء للضوء إذا كان مقدار الانبعاث يساوي 23؟
الحل:
حسب قانون كيرشوف، فإن الامتصاصية تساوي الانبعاثية.
إذن، الامتصاصية = 23.
هل يمكن أن تنتقل الحرارة في نفس الجسم بأكثر من طريقة؟
لا يمكن نقل الحرارة في نفس الجسم بأكثر من طريقة في وقت واحد ذلك لأن كل طريقة من طرق نقل الحرارة تُناسب نوعًا معينًا من المواد. على سبيل المثال، لا يتم نقل الحرارة في المواد الصلبة إلا عن طريق التوصيل الحراري، بينما تُنتقل الحرارة في السوائل بواسطة تيارات الحمل الحراري. لذلك لا يُمكن نقل الحرارة بأكثر من طريقة في نفس الجسم.
تطبيقات على انتقال الحرارة
تُستخدم طرق نقل الحرارة في عدة تطبيقات في حياتنا اليومية و في مجالات العلم و التكنولوجيا، من أهم هذه التطبيقات:
- مادة الزئبق: تُستخدم مادة الزئبق في ميزان الحرارة لأنها تمتلك موصلية عالية جداََ للحرارة.
- الثلاجات: عندما يبرد الهواء الموجود في المجمد أو الجزء العلوي من الثلاجة فإن كثافة الهواء تقل وينزل إلى الجزء التحتي من الثلاجة بحيث يحل محله هواء ساخن من الأسفل وهكذا حتى تبرد جميع أجزاء الثلاجة.
- المصانع التي تعمل بالطاقة النووية: تُستخدم هذه المصانع جهاز المبادل الحراري على نطاق واسع، إذ يقوم الجهاز بتغيير درجة حرارة الموائع من خلال تمريرها في أنابيب موجودة بوسط آخر درجة حرارته أقل.
مصطلحات وتعريفات
فيما يلي بعض المصطلحات التي تتعلق بالحرارة:
| المصطلح | التعريف |
|---|---|
| الديناميكا الحرارية | 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 | ازدياد حجم المادة نتيجة اكتسابها حرارة، ويقابلها الانكماش الحراري. |
| عمليات الحركة الحرارية | عمليات تتعلق بتغيُر الطاقة داخل النظام، وترتبط عادةََ بالضغط، والحجم، ودرجة الحرارة وأشكال انتقال الطاقة، ومنها: |
| عملية كظيمة أو لا تبادلية | عملية تتم دون حدوث انتقال حرارة من النظام أو إليه. |
| عملية ثابتة الحجم | عملية لا يقوم النظام خلالها ببذل جهد، ولا يتغير حجمه. |
| عملية ثابتة الضغط | عملية لا يتغير خلالها الضغط. |
| عملية ثابتة درجة الحرارة | عملية لا تتضمن تغيُراً في درجة الحرارة. |
| السعة الحرارية | مقدار التغير في الطاقة الحرارية للجسم بالنسبة لتغيُر درجة حرارته. |
| الموصل الحراري | المادة التي تكون سعتها الحرارية منخفضة، لذلك فهي تحتاج لكمية قليلة من الطاقة لتغيير درجة حرارتها. |
| المادة العازلة حرارياََ | المادة التي تحتاج للكثير من الطاقة الحرارية حتى تتغير درجة حرارتها، وتكون سعتها الحرارية عالية. |
ملخص
إن الطاقة لا تُفنى ولا تُستحدث ولكنها تنتقل من جسم لآخر، ومن أهم أنواع الطاقة هي الطاقة الحرارية التي تنتقل من جسم لآخر بعدة طرق حسب ماهية الجسم، فتنتقل الطاقة الحرارية بواسطة التوصيل الحراري في الأجسام الصلبة وبواسطة الحمل الحراري في الأجسام السائلة وبواسطة الإشعاع الحراري في الأشعة الكهرومغناطيسية.