مفهوم تيارات الحمل الحراري
تعرف تيارات الحمل الحراري (بالإنجليزية: Convection currents)، بأنها نقل الحرارة بسبب الحركة الحرة للجزيئات داخل الموائع مثل الغازات والسوائل بالرغم من أن السوائل والغازات لا تعد موصلات جيدة جدًا للحرارة، إلا إنها وعن طريق الحمل الحراري يمكن أن تنقل الحرارة بسرعة كبيرة.
تعد تيارات الحمل الحراري أحد أشكال نقل الحرارة الثلاث في الطبيعية، وهي السبب الرئيسي في نقل وتحرك كتل من الماء والهواء، والحرارة بين الأماكن المختلفة، وفي نفس الأجسام، وتحدث تيارات الحمل في الموائع فقط؛ أي في السوائل والغازات بسبب طبيعة جزيئاتها التي تتميز بأنها حرة الحركة، ويعود السبب الرئيسي لتشكل تيارات الحمل إلى اختلاف درجات الحرارة أو الكثافة في السوائل والغازات، وتكمن أهميتها في تحريك التيارات المحيطة للأرض، وتشكل الطقس الجوي والجيولوجيا.
أنواع تيارات الحمل الحراري
تتشكل تيارات الحمل في الطبيعة بسبب تأثير اختلاف الحرارة، ولما لتيارات الحمل من أهمية، فقد قام البشر، بالتدخل في تشكيل تيارت الحمل الحراري لاستخدامها في عدة مجالات في الحياة اليومية، ولذا صُنفت تيارات الحمل حسب طريقة تكونها لنوعين؛ هما:
الحمل الحراري الطبيعي
ينتج هذا النوع من الحمل الحراري طبيعيًا، أي بلا تدخل البشر، بسبب اختلاف كثافة الماء أو الهواء الناتج عن تعرضها لتغيير في درجات الحرارة، أي أن الحمل الحراري الطبيعي (بالإنجليزية: Natural convection) لا يحتاج لمصدر خارجي لتشكيل وتحريك الكتل المائية أو الهوائية، مثل؛ المضخة أو المروحة، أو جهاز الشفط.
يحدث الحمل الحراري في الطبيعة عندما تجاور الكتلة المائية أو الهوائية مصدر للحرارة، فتكتسب جزيئات هذه الكتل طاقة وتتحرك بسرعة، فتمدد وتصبح أقل كثافة وترتفع ليحل محلها في الأسفل جزيئات السائل البارد الأكثر كثافة، وبسبب هذا الاختلاف في كثافة السوائل تتشكل تيارات الحمل الحراري بطريقة طبيعية.
الحمل الحراري الجبري
يحدث الحمل الحراري الجبري أو القسري (بالإنجليزية: forced convection)، بسبب تدخل البشر، حيث إنه يحدث باستخدام الآلات التي تنقل وتحرك الموائع والهواء من مكان لآخر، ويعدها المهندسون من أحد الأشكال الرئيسية التي يستخدمونها لنقل الحرارة، ويعود هذا لكفاءتها في نقل كميات كبيرة من الطاقة الحرارية، يستخدم الحمل الحراري الجبري، في أنظمة التدفئة وتكييف الهواء، وتبريد الإلكترونيات، والمبادلات الحرارية، والمضخات والمراوح.
يعد الحمل الحراري الجبري، طريقة معقدة بسبب حاجتها لتنظيم عاملان، هما؛ حركة السوائل والتوصيل الحراري، المرتبطان ببعضهما، لأن حركة السوائل يمكن أن تعزز نقل الحرارة، على سبيل المثال؛ ارتفاع معدل حركة السائل تزيد من نقل الحرارة.
تطبيقات على تيارات الحمل الحراري
يوجد العديد من التطبيقات العملية على تيارات الحمل الحراري في الطبيعية، منها:
غلي الماء
تكتسب جزيئات الماء طاقة، تحركها بسرعة كبيرة، وعندما تزداد الحرارة تقل كثافة الماء، فتتحرك جزيئات الماء لأعلى، أي أعلى الوعاء، ويحل مكانها الجزئيات الأبرد، وإذا كان الوعاء مغلق بغطاء، فستتكاثف جزيئات الماء، وتبرد فتزداد كثافتها، وتنزل لأسفل، وهكذا في دورة مكررة.
الرياح
تنتج بسبب تأثير ضوء الشمس على الهواء، فينتج بذلك مناطق مختلفة في درجة حرارة الهواء المحيط بها، وهذا الاختلاف يحرك الهواء، من المناطق مرتفعة الحرارة ذات الكثافة القليلة، إلى المناطق الأكثر كثافة ذات درجات الحرارة الباردة أو الرطبة.
الصهارة أو الماغما
يسخن اللب داخل البركان الصهارة الموجودة فوقه مما يؤدي إلى ارتفاعها نحو القشرة فتبرد، وبعض الصهارة لا تستطيع الارتفاع لأعلى، فتتحرك أفقيًا، ثم تنزل مرة أخرى لأسفل، وتستمر الدورة.
الثلاجة
إذ يوجد في الجزء العلوي من الثلاجة وحدة تجميد، تجمد الهواء المحيط بها، فتقل كثافته بسبب بطء جزيئاته الفاقدة للطاقة، فتنزل لأسفل، ويرتفع الهواء الساخن المحيط بالثلاجة لأعلى، بسبب كثافته القليلة، ويتحرك لوحدة التجميد، ليبرد فتزداد كثافته، وهكذا في دورة مستمرة.
العواصف الرعدية
إذ تعد من الأمثلة الواضحة لتطبيق التيارات الحرارية، إذ يصعد الهواء الدافئ الرطب القريب من سطح الأرض، بسبب كثافته القليلة إلى ارتفاع عالي من الطبقة التي تتشكل فيها السحب ليبرد ويتكاثف، ويتحول إلى قطرات ماء مشبعة، تتجمع مع بعضها فتشكل السحب، ثم تتجمع عدة سحب مع بعضها، وتشكل سحب أكبر، وتصبح السحب ممتلئة، فيسقط المطر المصحوب بالرعد.
تبخير المشروبات
يخرج البخار من السوائل الساخنة ذات الحرارة العالية، مثل القهوة والشاي، ويرتفع لأعلى بسبب كثافته القليلة، وهذا الهواء الساخن، ينقل الحرارة للهواء المحيط به، فتزداد حرارة الهواء المحيط، وتقل كثافته فيرتفع لأعلى ليحل مكانه الهواء البارد بسبب كثافته العالية، وبهذا يعمل الهواء البارد على تبريد المشروبات الساخنة.
شعلة النار والتدفئة
تكسب جزيئات الهواء المحيطة بالنار طاقة حركية وحرارية، فتقل بذلك كثافة الهواء القريب من الشعلة ليرتفع لأعلى، ويهبط مكانه الهواء الأقل حرارة، والأكثر كثافة ويؤدي لتكوين تيارات الحمل وإثبات ذلك أن الشخص الجالس بالقرب من النار وعلى مسافة آمنة، يشعر بالحرارة على جسمه دون أن يضع يديه على النار، وهذا يعود لتشكل تيارات الحمل.
مكيفات الهواء
تخرج مكيفات الهواء، الهواء البارد ذو الكثافة العالية الذي ينزل لأسفل، ويحل مكان الهواء الدافئ ذو الكثافة المنخفضة الذي يرتفع لأعلى، وهذا سبب وضع مكيفات الهواء في السقف، إذ لو وضع أسفل الغرفة لبقي الهواء البارد محصورًا في الأسفل.
الخلاصة
تتشكل تيارت الحمل، وهي أحد طرق توصيل الطاقة، بسبب الاختلاف في درجات الحرارة، حيث يؤدي ارتفاع درجات الحرارة إلى إكساب جزيئات المادة الطاقة لتتحرك، فتقل بذلك كثافتها، وترتفع لأعلى، فتحل مكانها المادة الأقل درجة حرارة، ذات الكثافة العالية، سواء أكانت المادة ماء أو هواء، وتكمن أهميتها في توزيع الحرارة على سطح الأرض، وتشكيل التيارات المائية.
