آلية انتقال الحرارة

oMaR236 · #1 August 21, 2013, 01:25 PM

تنتقل الحرارة من جسم إلى آخر، أو من مادة إلى أخرى،

بطرائق ثلاث: التوصيل (أو الملامسة)، والحمل (أو الاختلاط)، والإشعاع.

أ- التوصيل Conduction

وانتقال الطاقة بطريقة التوصيل Conduction، مألوف لدى معظم الناس. فالقضيب المعدني، الذي طرفه في النار، سيسخن طرفه الآخر، بالتوصيل.

والملعقة المعدنية، في القدر، يسخن مقبضها، بالتوصيل. والجدار الذي تسقط عليه أشعة الشمس، من الخارج، يسخن جانبه الداخلي، بالتوصيل.

التوصيل، إذاً، هو انتقال الحرارة من جزيء إلى جزيء في المادة؛ فانتقال النشاط الجزيئي في المادة، بين الجزيئات المتجاورة، يؤدي سريان الحرارة من طرف القضيب المعدني المعرض للهب إلى الطرف الآخر.

ويكون سريان الحرارة دائماً من الطرف أو الجزء الدافئ، الأعلى حرارة، إلى الجزء الأبرد.

قدرة المواد على التوصيل الحراري، تختلف اختلافاً بيناً؛ فالمعادن، مثلاً، تعَد موصلات جيدة للحرارة؛ والهواء، موصل رديء جداً للحرارة. ويعتمد التوصيل الحراري، في المواد، على بناء جزيئاتها وترابطها .

المواد الصلبة، كالمعادن، موصلات جيدة للحرارة؛ ولكن، قد يصعب الحكم على حرارة المعدن. فمثلاً، ملامسة صنبور ماء، معدني، بدرجة حرارة الغرفة، تعطي شعوراً بأنه أبرد كثيراً مما هو في الواقع. والسبب أن توصيل المعدن العالي للحرارة، يجعل جزيئاته، تنقل الحرارة إليه من أصابع اليد، بسرعة، مما يعطي شعوراً بالبرودة.

ولأن الهواء موصل رديء جداً للحرارة، فإن التوصيل الحراري لأي مادة، ينخفض بمقدار ما تحويه من فراغات وفقاقيع هوائية.

وبسبب الانخفاض الشديد للتوصيل الحراري للهواء (انظر جدول التوصيل الحراري لبعض المواد)، فإن حرارة سطح الأرض، تُسَخِّن الطبقة الرقيقة فقط من الهواء (بضعة سنتيمترات)، الملامسة لسطح الأرض، بالتوصيل.

التوصيل الحراري، بصفته آلية من آليات انتقال الحرارة، هو أقلّها فاعلية، بالنسبة إلى الغلاف الغازي. لذا، لا يعار اهتماماً كبيراً، في غالب الأحوال، عند المتابعة المتيورولوجية لظاهرات الغلاف الغازي.

ب- الحمل

كثير من عمليات نقل الحرارة، التي تحدث في الغلاف الغازي، تحدث بطريقة الحمل Convection. وتعرَّف هذه الآلية بأنها انتقال الحرارة بتحرك الكتلة، أو بالدورات الداخلية للمادة. لذا، فهذه الطريقة، تحدث في الموائع فقط (وهذه تشمل السوائل، مثل مياه المحيطات؛ وتشمل الغازات، مثل الهواء)؛ وذلك لأن الموائع حرة الحركة، ومن السهل أن يحدث فيها تيارات حمل، تنقل الحرارة.

ويوضح المقصود بهذه الآلية، ، حيث إناء فيه ماء، يغلي على النار. تنتقل الحرارة، في البداية، من النار إلى قاع القدر (بالإشعاع)، ومنه تنتقل إلى الماء، الذي يلامسه (بالتوصيل).

ومع ارتفاع حرارة الماء، في قاع القدر، يبدأ بالتمدد، وتنخفض كثافته، لتصبح أقلّ من كثافة الماء الأبرد منه، في أعلى القدر.

وذلك يدفع الماء من القاع إلى أعلى، في تيارات حمل؛ ويندفع ماء أقلّ حرارة، من أعلى القدر إلى الأسفل (لأنه أثقل)، ليسخن ثم يعود إلى الأعلى. وما دام تسخين الماء غير متساوٍ، ومصدر الحرارة من الأسفل فقط، فإن الماء سيستمر في الدوران، مكوناً ما يسمى دورة الحمل Convective Circulation.

ومعظم الطاقة، التي تكتسبها غازات الغلاف الغازي، في الطبقة السفلى، القريبة من سطح الأرض، سواء التي تصل إليها بالإشعاع، أو تلك التي تكتسبها بالتوصيل الحراري من سطح الأرض ـ تنتقل بالحمل.

فالحمل، إذاً، يحدث طبيعياً في الغلاف الغازي؛ ففي يوم مشمس، دافئ، تكتسب بقع من سطح اليابس حرارة أكثر من الأجزاء المجاورة. ونتيجة لذلك، فإن الهواء الملامس لسطح الأرض، يسخن بشكل غير متساوٍ؛ إذ تكتسب جزيئاته، الملامسة لتلك البقع الأكثر سخونة، حرارة أكثر بالتوصيل الحراري.

فيتمدد الهواء الساخن، ويصبح أقلّ كثافة من الهواء المحيط به، فيرتفع إلى الأعلى، ويحل محله هواء أبرد منه، من الجانبَين. وبهذه الطريقة، تتحرك فقاقيع كبيرة من الهواء الساخن إلى الأعلى حاملة معها الحرارة، بل الرطوبة كذلك. ولا يلبث الهواء البديل أن يسخن، فيتحرك إلى الأعلى.... وهكذا.

في المتيورولوجيا، يطلق على عملية الانتقال الرأسي للحرارة، بهذه الطريقة، الحمل Convection؛ وعلى الفقاقيع الهوائية الصاعدة، الحراريات Thermals.

ولكن الهواء، يمكن أن يتحرك أفقياً أو رأسياً، فيحدث نقل أفقي أو رأسي للحرارة. ويطلق على التحرك الأفقي التأفق Advection، والتسمية الشائعة له الريح Wind.

وعلى المستوى العالمي، تتسبب تيارات الحمل بدورات هوائية كبيرة، حول العالم؛ هي المسؤولة عن إعادة توزيع الحرارة، بين الأقاليم الاستوائية والمدارية الحارة، وتلك القطبية المتجمدة.

ويستخدم طيارو الطيارات الشراعية، الفقاعات الهوائية الصاعدة (الحراريات)، للتحليق عالياً في الفضاء، ويظل الطيار ينتقل من فقاعة إلى أخرى. وإذا كان الهواء في الحراريات الصاعدة رطباً، فإنه يؤدي تكوّن السحب الركامية Cumulus Clouds.

وبما أن تكوّن هذا النوع من السحب، مرتبط بالهواء الصاعد والهابط، فإن الطيارين، يفضلون دائماً التحليق فوقها، على المرور من تحتها، من أجل راحة الركاب، وخاصة في الطائرات الصغيرة.

ج- الإشعاع

الطريقة الثالثة لانتقال الحرارة، هي الإشعاع Radiation، المنبعث من جسم مشع، في جميع الاتجاهات. وعلى خلاف الطريقتَين السابقتَين، التوصيل والحمل، اللتَين تتطلبان وسطاً، تنتقل خلاله الحرارة، فإن الإشعاع يسري في الفضاء.

والإشعاع هو الآلية، التي تنتقل بها الطاقة من الشمس إلى الأرض، وبقية كواكب المجموعة الشمسية . جميع الموجات الإشعاعية، تنتقل في الفضاء بسرعة 300 ألف كيلو متر، في الثانية (سرعة الضوء)؛ ولا تنقص سرعتها، عند سريانها في الغلاف الغازي، إلا قليلاً جداً. وتنتقل الطاقة داخل جهاز الميكروويف، فتسخن الغذاء، بالإشعاع.

جميع الأشياء، التي درجة حرارتها فوق الصفر المطلق، بغض النظر عن كبرها أو صغرها، تطلق طاقة إشعاعية.

فالنار، وجسم الإنسان، والأشجار، والهواء، والأرض، والنجوم، كلها تشع نطاقاً عريضاً من الموجات الإشعاعية. إذ الإنسان الجالس أمام النار، في العراء، في يوم بارد ، يشعر بحرارة النار، تلفح وجهه وتدفئه؛ على الرغم من برودة الهواء خلفه. فالطاقة تنتقل إليه من النار، بالإشعاع، فيمتصها جسده، ويحولها إلى طاقة حرارية، تُشعره بالدفء. الطاقة المنطلقة من النار، في هذه الحالة، طاقة إشعاعية، وتنتقل على شكل موجات، مختلفة الطول، يطلق عليها الموجات الكهرومغناطيسية Electromagnetic Waves .

أطوالها. ويقاس طول الموجة بالميكرومتر μm، الذي يساوي جزءاً من مليون جزء، من المتر:

1 ميكرومتر μm = 0.000001 متر = 10-6م

ولا ترى عين الإنسان، إلا نطاقاً ضيقاً من الطيف الكهرومغناطيسي، يطلق عليه الطيف المرئي. ويناهز متوسط طول الأشعة المرئية الضوئية نصف ميكرومتر.

ويعتمد طول الموجات، التي يشعها أي جسم، على درجة حرارته. فكلما كانت درجة حرارة الجسم أعلى، كانت الموجات أقصر، وطاقتها أكثر.

ويتوقف الجسم عن الإشعاع، عند درجة الصفر المطلق. ويعبَّر عن ذلك، عادة، بقانون ستيفان بولتزمان Stefan-Boltzman Law:
R = σ* T4

R = أقصى معدل للإشعاع من كل سنتيمتر مربع، من سطح المادة.

T = درجة حرارة سطح الجسم، بمقياس كالفن.

ويقول القانون إن أي جسم، درجة حرارته فوق الصفر المطلق (-273.16 مئوية)، تنطلق منه الأشعة، بمعدل منسوب للقوة الرابعة لدرجة حرارته المطلقة (بمقياس كالفن).

ولا يقتصر إشعاع الأجسام على طول موجي واحد، بل تطلق نطاقاً عريضاً من الأشعة، بأطوال موجات مختلفة. ولكن، قد يتركز الحد الأقصى للإشعاع من الجسم، في طول موجي محدد.

ويعبِّر عن ذلك قانون واين Wien’s Law، الذي يقول إن أقصى إشعاع للطاقة من الجسم، يحدث بطول موجة منسوب، عكسياً، إلى درجة حرارته، بمقياس كالفن

**ملك الفزياء** · #2 October 20, 2013, 05:58 AM

هذا تخصصي أخي عمر
شكرا جزيلا لك على المعلومات القيمة

oMaR236 · #3 October 20, 2013, 12:45 PM

يسلمووو مرورك يا غالي
بالتوفيق ان شاء الله

المواضيع المتشابهه
الموضوع	كاتب الموضوع	المنتدى	مشاركات	آخر مشاركة
فلاشات انتقال الحرارة ( توصيل ، حمل ، إشعاع )	Yana	الدليل العلمي للطلاب و المعلمين	1	April 8, 2013 10:51 PM
كورس كامل فى انتقال الحرارة pdf و فيديو Heat And mass transfer	oMaR236	مجلة العلوم الهندسية	2	August 29, 2012 03:45 PM
الفرق بين درجة الحرارة وكمية الحرارة ( بوربوينت)	Yana	الدليل العلمي للطلاب و المعلمين	5	April 11, 2011 03:45 AM
انتقال الحرارة بالتوصيل ( بوربوينت )	Yana	الدليل العلمي للطلاب و المعلمين	1	March 30, 2011 01:06 PM
اسرع الخطوات لخفض درجة الحرارة عند الأطفال,طرق خفض الحرارة	ألاء ياقوت	مقالات طبية - الصحة العامة	0	October 31, 2010 03:12 AM

آلية انتقال الحرارة

العلوم و الطبيعه