طرق انتقال الحرارة
تنتقل الحرارة بثلاثة 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).
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.
| 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 |
أمثلة على التوصيل الحراري
يوجد العديد من الأمثلة في حياتنا اليومية على التوصيل الحراري ومنها ما يلي:
- يصبح مقبض المقلاة ساخن بعد تشغيل النار لفترة وذلك بسبب نقل الحرارة من الجزي المقلاة الملامس للناس إلى باقي أجزاء المقلاة.
- يعتمد مبدأ المكواة على التوصيل الحراري فهي تقوم بنقل الحرارة إلى الملابس مما يؤدي إلى تمدد جزيئات الملابس وبالتالي تسوية جميع التجاعيد.
- بعد فترة من تشغيل محرك السيارة يصبح غطاء السيارة دافئ وذلك بسبب انتقال الحرارة من المحرك إلى الغطاء بسبب التوصيل الحراري.
- عند وضع الطعام المطبوخ الساخن في طبق زجاجي، سيتم الشعور بالدفء عند لمسه بعد عدة دقائق وذلك لأن الحرارة انتقلت من الطعام المطبوخ إلى الطبق.
قوانين التوصيل الحراري
يسمى قانون التوصيل الحراري بقانون فورييه (بالإنجليزية: Fourier’s) ويمثل بالصيغة الرياضية التالية:
كمية التدفق الحراري= - موصلية المادة× التغير في درجة الحرارة
وبالرموز؛ q= -k▽ T، بحيث تشير الرموز إلى ما يأتي:
- q: كمية التدفق الحراري.
- k: موصلية المادة.
- ▽ T: التغير في درجة الحرارة.
أمثلة على قوانين التوصيل الحراري
مثال إذا كانت كمية التدفق مجهولة:
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.
- بالتطبيق على قانون q= -k▽ T.
- فإن q= - (429) × (30- 20).
- q= -4290
مثال إذا كانت الموصلية مجهولة:
ما هي موصلية التربة إذا تم تغير درجة حرارتها من 37 درجة إلى 25 درجة وتم نقل حرارة مقدارها -18؟
الحل:
- بالتطبيق على قانون q= -k▽ T.
- -18 = k- × (37- 25).
- 18 = 12 k.
- k= 1.5
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:
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.
قوانين الحمل الحراري
يتم قياس معدل انتقال الحرارة بفعل الحمل الحراري من خلال القانون الآتي:
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 يشير كل رمز على 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
إذا كان معدل انتقال الحرارة مجهول:
ما هو معدل انتقال الحرارة في ماء إذا كانت مساحة السطح تساوي 5 (م2) ومعامل الحمل للماء يساوي 2500 حيث تم تغيير درجة الحرارة من 20 إلى 25 درجة مئوية؟
الحل:
- بالتعويض في قانون (H= KA (T1- T2.
- H= 2500× 5× (20- 25).
- H= 62500.
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 على طبيعة السطح الباعث للأشعة ودرجة حرارته.
أمثلة على الإشعاع الحراري
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.
قوانين الإشعاع الحراري
افترض العالم الفيزيائي الألماني جوستاف روبرت كيرشوف (بالإنجليزية: Gustav Robert Kirchhoff) قانون كيرشوف للإشعاع الحراري الذي ينص على أن كمية الطاقة المنبعثة تساوي كمية الطاقة الممتصة عند درجة حرارة وطول موجي معين ويتم التعبير عن هذا القانون كما يلي:
الانبعاثية = الامتصاصية.
وبالرموز؛ emissivity ε = absorptivity α، حيث إن:
- emissivity: الانبعاثية.
- absorptivity: الامتصاصية.
أمثلة على قانون الإشعاع الحراري
مثال إذا كانت الامتصاصية مجهولة:
ما هي امتصاصية الطلاء للضوء إذا كان مقدار الانبعاث يساوي 23.؟
الحل:
- حسب قانون كيرشوف فإن الامتصاصية تساوي الانبعاثية
- إذاً الامتصاصية = 23.
هل يمكن أن تنتقل الحرارة في نفس الجسم بأكثر من طريقة؟
لا يمكن نقل الحرارة في نفس الجسم بأكثر من طريقة وذلك لأن كل طريقة مختصة بطبيعة جسم معينة، فمثلًا لا يتم نقل الحرارة في المواد الصلبة إلا عن طريق التوصيل الحراري أما بالنسبة للسوائل فإنّ الحرارة فيها لا تنتقل إلا بواسطة تيارات الحمل ولهذا لا يمكن نقل الحرارة بأكثر من طريقة في نفس الجسم.
تطبيقات على انتقال الحرارة
يوجد العديد من التطبيقات على انتقال الحرارة بين المواد في حياتنا اليومية، ومنها ما يلي:
- مادة الزئبق: تُستخدم مادة الزئبق في ميزان الحرارة لأنها تمتلك موصلية عالية جداً 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: تستخدم 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:
- 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.
- الذوبان: تحوُل المادة الصلبة إلى سائلة.
- التجمُد: تحوُل المادة السائلة 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.
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.
