دراسة حول أساليب نقل الحرارة

أساليب انتقال الحرارة

تتواجد ثلاث طرق رئيسية لانتقال الحرارة، وهي: التوصيل الحراري، وتيارات الحمل الحراري، والإشعاع الحراري. وفيما يلي تقديم مختصر لكل من هذه الوسائل الثلاث:

التوصيل الحراري

التوصيل الحراري (بالإنجليزية: Heat Conduction) هو العملية التي يتم من خلالها انتقال الحرارة عبر الأجسام الصلبة نتيجة لاهتزاز وجريان الذرات والجزيئات داخل الجسم، مما يؤدي إلى تبادل الطاقة الحرارية معها. فعلى سبيل المثال، عند تسخين طرف قضيب معدني، تكتسب ذرات القضيب الطاقة، مما يمكّنها من الاهتزاز ونقل هذه الطاقة للذرات المجاورة. تستمر هذه العملية حتى تتساوى درجات الحرارة في القضيب، مما يؤدي للوصول إلى حالة توازن حراري (بالإنجليزية: thermal equilibrium).

تعتمد كفاءة المواد في نقل الحرارة على خاصية تعرف بالموصلية الحرارية (بالإنجليزية: Thermal conductivity). حيث كلما زادت هذه الناقلية، زادت فعالية المادة في نقل الحرارة. تُعتبر المعادن من المواد ذات الموصلية الحرارية العالية، بحيث يرتبط التوصيل الحراري فيها بشكل طردي مع التوصيل الكهربائي (باستثناء بعض الحالات). على سبيل المثال، يعتبر الألماس متميزًا بموصلية حرارية مرتفعة ولكن يحتوي على توصيل كهربائي ضعيف. وتُعتبر قيم الموصلية الحرارية للمواد ذات أهمية كبيرة في مجال البناء وعزل الحرارة. الجدول أدناه يعرض بعض موصلات الحرارة لمواد مختلفة بوحدة واط/متر/كلفن.

أمثلة على التوصيل الحراري

توجد عدة أمثلة على الحياة اليومية تتعلق بالتوصيل الحراري، مثل:

• تصبح مقبض المقلاة ساخنًا بعد تشغيل النار لفترة، وذلك نتيجة انتقال الحرارة من الجزء الملامس للنار إلى باقي أجزاء المقلاة.
• تعتمد المكواة على التوصيل الحراري حيث تنقل الحرارة إلى الملابس، مما يؤدي إلى تمدد جزيئات الملابس وبالتالي تسوية التجاعيد.
• بعد فترة من تشغيل محرك السيارة، يصبح غطاء السيارة دافئًا نتيجة انتقال الحرارة من المحرك إليه.
• عند وضع الطعام الساخن في طبق زجاجي، يشعر الشخص بالدفء عند لمسه بعد عدة دقائق نتيجة انتقال الحرارة من الطعام إلى الطبق.

قوانين التوصيل الحراري

يعتبر قانون التوصيل الحراري معروفاً بقانون فورييه (بالإنجليزية: Fourier’s) ويتم التعبير عنه بالصيغة الرياضية التالية:

كمية التدفق الحراري= – موصلية المادة × التغير في درجة الحرارة

بالرموز؛ q= -k▽ T، حيث تشير الرموز إلى التالي:

• q: كمية التدفق الحراري.
• k: موصلية المادة.
• ▽ T: التغير في درجة الحرارة.

أمثلة على قوانين التوصيل الحراري

إذا كانت كمية التدفق غير معروفة:

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

إذا كانت الموصلية غير معروفة:

ما هي موصلية التربة إذا كانت درجة حرارتها قد تغيرت 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 عملية انتقال الحرارة والكتلة في الموائع (السوائل والغازات) نتيجة لاختلاف درجة حرارة المادة، مما يؤدي إلى اختلاف كثافتها. ومن الأمثلة الشائعة على تيارات الحمل الحراري ما يحدث عند تسخين الماء في وعاء، حيث تكتسب جزيئات الماء القريبة من مصدر الحرارة طاقة حركية وتقل كثافتها مما يجعلها ترتفع إلى السطح، وعند الوصول إلى السطح يبرد الماء قليلاً مما يتسبب في هبوط جزيئات منه إلى الأسفل لتتكرر العملية حتى يتم تسخين الماء بالكامل. وتوجد نوعان رئيسيان من الحمل الحراري كما يلي:

الحمل الحراري الطبيعي (بالإنجليزية: Natural convective heat transfer):

هو تيارات الحمل الناتجة عن قوة الطفو الناجمة عن اختلاف درجة الحرارة والكثافة دون تدخل قوى خارجية.

الحمل القسري (بالإنجليزية: Forced convection)

يحصل عندما تتحرك جزيئات السائل بفعل تيارات قسرية تتولد بواسطة قوى خارجية أو أجهزة، مثل المراوح والمضخات، كما هو الحال عند تسخين الطعام في فرن مزود بمروحة تعمل على تكثيف نقل الهواء الساخن.

قوانين الحمل الحراري

يتم قياس معدل انتقال الحرارة بفعل الحمل الحراري من خلال القانون التالي:

معدل انتقال الحرارة = معامل الحمل × المساحة المعرضة للنقل × (درجة حرارة الوسط الأول – درجة حرارة الوسط الثاني)

وبالرموز، (H= KA (T1- T2 حيث تشير الرموز إلى ما يلي:

• H: معدل انتقال الحرارة.
• K: معامل الحمل.
• A: مساحة السطح المعرضة لتدفق الحمل.
• T1: درجة حرارة الوسط الأول.
• T2: درجة حرارة الوسط الثاني.

أمثلة على قانون انتقال الحرارة بالحمل

إذا كان معدل انتقال الحرارة غير معروف:

ما هو معدل انتقال الحرارة في ماء إذا كانت مساحة السطح تُساوي 5 (م²) ومعامل الحمل للماء يساوي 2500 وتم 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

تُعرف الإشعاع الحراري (بالإنجليزية: Thermal radiation) بأنه وسيلة انتقال الطاقة الحرارية على شكل إشعاع كهرومغناطيسي يتحرك بسرعة الضوء في جميع الاتجاهات دون الحاجة إلى وسط مادي لنقله. ومن الأمثلة الشائعة على ذلك انتقال حرارة الشمس إلى الأرض. يتراوح الطول الموجي للإشعاع الحراري بين الأشعة تحت الحمراء ذات الطول الأكبر والأشعة فوق البنفسجية ذات الطول الأصغر، مروراً بالضوء المرئي الذي يقبع بينهما. وتعتمد كمية الطاقة التي يحملها الإشعاع على طبيعة السطح الباعث للأشعة ودرجته الحرارية.

أمثلة على الإشعاع الحراري

من بين الأمثلة الشائعة على انتقال الحرارة بالإشعاع تدفئة المنزل بواسطة موقد مفتوح، حيث يتم توليد إشعاعات حرارية من الطوب الساخن والفحم واللهب وتنقل مباشرة إلى الأجسام داخل الغرفة، بينما يمتص الهواء القليل فقط من الحرارة.

قوانين الإشعاع الحراري

طرح العالم الفيزيائي الألماني جوستاف روبرت كيرشوف (بالإنجليزية: Gustav Robert Kirchhoff) قانون كيرشوف للإشعاع الحراري، والذي ينص على أن كمية الطاقة المنبعثة تساوي كمية الطاقة الممتصة عند درجة حرارة وطول موجي معين، ويمكن التعبير عن هذا القانون على النحو التالي:

الانبعاثية = الامتصاصية.

بالرموز؛ emissivity ε = absorptivity α، حيث إن:

• emissivity: الانبعاثية.
• absorptivity: الامتصاصية.

أمثلة على قانون الإشعاع الحراري

إذا كانت الامتصاصية غير معروفة:

ما هي امتصاصية الطلاء للضوء إذا كان مقدار الانبعاث يساوي 23؟

الحل:

• وفقاً لقانون كيرشوف، تكون الامتصاصية متساوية مع الانبعاثية.
• إذًا، الامتصاصية = 23.

هل يمكن أن تنتقل الحرارة في نفس الجسم بأكثر من طريقة؟

لا يُمكن نقل الحرارة في نفس الجسم بأكثر من وسيلة، حيث أن كل وسيلة مرتبطة بنوع محدد من الأجسام. على سبيل المثال، يتم نقل الحرارة في المواد الصلبة عبر التوصيل الحراري، بينما في السوائل، يتم النقل من خلال تيارات الحمل. وبالتالي، لا يمكن تنفيذ أكثر من طريقة لانتقال الحرارة في نفس الجسم.

تطبيقات على انتقال الحرارة

هناك العديد من التطبيقات العملية لانتقال الحرارة بين المواد في حياتنا اليومية، منها:

• الزئبق: يُستخدم في ميزان الحرارة لكفاءته العالية في التوصيل الحراري.
• الثلاجات: عندما يُبرد الهواء في المجمد أو الجزء العلوي من الثلاجة، يقل كثافة الهواء ويبقى في الأسفل، مما يؤدي إلى انخفاض حرارة جميع أجزاء الثلاجة.
• المصانع النووية: تعتمد هذه المصانع على المبادل الحراري لتغيير درجة حرارة السوائل من خلال ضخها عبر أنابيب تحوي وسيطاً آخر بدرجة حرارة أقل.

مصطلحات وتعريفات

فيما يلي بعض المصطلحات المتعلقة بالحرارة:

• الديناميكا الحرارية (بالإنجليزية: Thermodynamics): فرع من علم الفيزياء يهتم بدراسة انتقال الحرارة وعلاقتها بأنواع الطاقة المختلفة، بالإضافة إلى دراستها مقارنةً مع الضغط والكثافة ودرجة الحرارة.
• التمدد الحراري (بالإنجليزية: Thermal Expansion): زيادة حجم المادة نتيجة اكتساب حرارة، وهو مقابل الانكماش الحراري (بالإنجليزية: Thermal contraction).
• عمليات الحركة الحرارية (بالإنجليزية: Thermodynamic Processes): عمليات مرتبطة بتغيّر الطاقة داخل النظام، وعادة ما تترافق مع الضغط والحجم ودرجة الحرارة وأشكال انتقال الطاقة، وتشمل:
  • عملية كظيمة أو لا تبادلية (بالإنجليزية: Adiabatic process): عملية تحدث دون انتقال حرارة إلى النظام أو منه.
  • عملية ثابتة الحجم (بالإنجليزية: Isochoric process): عملية لا تُبذل فيها جهد ولا يتغير حجم النظام.
  • عملية ثابتة الضغط (بالإنجليزية: Isobaric process): عملية لا يتغير الضغط خلالها.
  • عملية ثابتة درجة الحرارة (بالإنجليزية: Isothermal process): عملية لا تتضمن تغيّراً في درجة الحرارة.
  • الذوبان: تحول المادة الصلبة إلى سائلة.
  • التجمُد: تحول المادة السائلة إلى مادة صلبة.
  • التكاثف: تحول الغاز إلى سائل.
• التبخُر: تحول المادة السائلة إلى غاز.
  • التسامي: تحول المادة الصلبة إلى غاز.
• السعة الحرارية (بالإنجليزية: Heat Capacity): مقدار التغير في الطاقة الحرارية لجسم معين بالنسبة لتغيّر درجة حرارته.
• الموصل الحراري (بالإنجليزية: Thermal conductor): مادة تتميز بانخفاض سعتها الحرارية، مما يتطلب أقل كمية ممكنة من الطاقة لتغيير درجة حرارتها.
• المادة العازلة حرارياً (بالإنجليزية: Thermal insulator): مادة تتطلب كميات كبيرة من الطاقة الحرارية حتى يتغير درجة حرارتها وتكون سعتها الحرارية مرتفعة.

خاتمة

إن الطاقة ليست مفقودة أو مُحدثة، بل تنتقل من جسم إلى آخر. وتعتبر الطاقة الحرارية من أبرز أنواع الطاقة، حيث يتم انتقالها بين الأجسام بطرق متنوعة بحسب خصائص كل جسم. فتنتقل الطاقة الحرارية بواسطة التوصيل الحراري في الأجسام الصلبة، وبواسطة الحمل الحراري في السوائل، وكما تنتقل أيضاً عبر الإشعاع الحراري في الأشعة الكهرومغناطيسية.