معامل التوصيل الحراري K. وسنتحدث أيضًا عن العوامل التي تؤثر على التوصيل الحراري وما هو معامل التوصيل الحراري للمواد. وسنذكر أيضًا طرق نقل الحركة. كل هذه المواضيع يمكنك العثور عليها في مقالتنا.
معامل التوصيل الحراري K
يصف معامل النقل الحراري أو الموصلية كفاءة الغاز أو السائل في نقل الطاقة عبر سطحه وبالتالي تفريغ الطاقة من سطحه. ويعتمد ذلك على الحرارة النوعية والكثافة ومعامل التوصيل الحراري للوسط الذي تنتقل إليه الحرارة، وكذلك للجسم الذي يعطي الحرارة. يتم حساب معاملات انتقال الحرارة عن طريق تحديد الفرق في درجة الحرارة بين الجسمين المتلامسين. ولا يعتبر معامل انتقال الحرارة خاصية محددة للمادة مثل التوصيل الحراري، بل يعتمد على الوسط المحيط وسرعته. يعتمد تدفقها أيضًا على نوع التدفق. وقد تكون صفائحية أو دوامية، وتعتمد أيضًا على شكل السطح. تستخدم معاملات انتقال الحرارة في هندسة البناء كقيم ثابتة، حيث يعمل الجدار العازل كمقاومة لاختراق الحرارة من الداخل إلى الخارج أو العكس.
العوامل المؤثرة على التوصيل الحراري
يعتمد معامل التوصيل الحراري للمادة على عدة عوامل:
1- المزيد من الحرارة
تشير بعض الجداول إلى معامل التوصيل الحراري المحسوب للمادة في ثلاث حالات: الجافة والمتوسطة (العادية) والرطبة.
عند اختيار مادة لعزل المباني، من المهم أيضًا مراعاة الظروف التي سيتم تشغيلها فيها.
2-كثافة المادة
عندما يتم زيادة هذه المعلمة، يصبح تفاعل جزيئات المادة أقوى. لذلك، سوف ينقلون درجة الحرارة بشكل أسرع. وهذا يعني أنه مع زيادة كثافة المادة، يتحسن نقل الحرارة.
3- مسامية المادة
المواد المسامية غير متجانسة في الهيكل. بداخلها كمية كبيرة من الهواء. وهذا يعني أنه سيكون من الصعب على الجزيئات والجسيمات الأخرى نقل الطاقة الحرارية. وبناء على ذلك يزداد معامل التوصيل الحراري.
تؤثر الرطوبة أيضًا على التوصيل الحراري. الأسطح الرطبة للمواد.
معامل التوصيل الحراري للمواد
1- التوصيل الحراري هو عملية نقل الطاقة من الجزء الأكثر حرارة في الجسم إلى الجزء الأكثر برودة.
2- وبالتالي فإن القيمة العددية تعكس التوصيل الحراري للمادة.
3- هذه الفكرة مهمة جداً في تشييد وترميم المباني.
4-تسمح المواد المختارة بشكل صحيح بخلق مناخ محلي لطيف في الفضاء مع الحفاظ أيضًا على كمية كبيرة من الطاقة.
5- التوصيل الحراري هو عملية تبادل الطاقة الحرارية التي تحدث عندما تصطدم أصغر جزيئات الجسم.
6- تستمر هذه العملية حتى تصل درجة الحرارة إلى التوازن.
7- لذلك يستغرق القيام بذلك وقتاً معيناً. كلما انخفض مؤشر التوصيل الحراري، زاد الوقت الذي يقضيه في التبادل الحراري.
8-وبالتالي يتم استخدام معامل التوصيل الحراري للمادة للتعبير عن هذا المؤشر في أغلب الأحيان.
طرق نقل الحرارة
1-انتقال الحرارة بالتوصيل
تنتقل الحرارة بالتوصيل بين جسمين متلامسين، أو بين أجزاء من الجسم نفسه تختلف درجات حرارتها. وفي هذه الحالة، في منطقة التلامس بين الجسمين، تقوم جزيئات الجسم ذات درجة الحرارة الأعلى بنقل جزء من طاقتها الحركية إلى جزيئات الجسم ذات درجة الحرارة الأقل. يحدث هذا عن طريق الاصطدام بين الجزيئات. والنتيجة هي ارتفاع درجة حرارة الجسم البارد وانخفاض درجة حرارة الجسم الأكثر سخونة.
يمكن فهم هذه الآلية عن طريق تسخين أحد طرفي قضيب معدني. يؤدي هذا إلى انتقال الحرارة داخل القضيب عن طريق اصطدام الجزيئات المعدنية، مما يؤدي إلى ارتفاع درجة حرارة الطرف الآخر تدريجيًا أيضًا.
التوصيل هو الطريقة الوحيدة لانتقال الحرارة في المواد الصلبة (بينما في السوائل، تنتقل الحرارة عن طريق التوصيل والحمل الحراري).
إن القدرة على نقل الحرارة بالتوصيل، أي كمية الحرارة التي تنتقل بهذه الطريقة، تعتمد على طبيعة المادة. هناك مواد تنقل الحرارة بشكل جيد، أما المواد التي تكون قدرتها على نقل الحرارة منخفضة جداً تسمى العوازل الحرارية.
بشكل عام، المعادن موصلة جيدة للحرارة. ويرجع ذلك إلى بنيتها، حيث يكون جزء من الإلكترونات الموجودة في الذرات حرة الحركة خلال المعدن، وهذه الإلكترونات، التي تساهم في التوصيل الكهربائي الجيد، هي المسؤولة أيضًا عن توصيل الحرارة.
يعتبر الخشب والزجاج الهوائي وبعض المواد البلاستيكية المسامية بشكل خاص (مثل البوليسترين) عوازل حرارية وتستخدم فعليًا لعزل المنازل لمنع الحرارة من الهروب إلى الخارج.
وتتضمن القائمة التالية معامل التوصيل الحراري لبعض المواد:
-النحاس 380
-المنيوم 200
-فضي 460
-حديد 67
-زجاج 0.6
-الخشب 0.2
-ماء 0.4
2- تجفيف بالهواء 0.025
ومن القائمة السابقة يمكننا أن نستنتج أن معدل انتقال الحرارة في بعض المعادن مثل الفضة والنحاس مرتفع جداً. وهذا هو السبب الذي جعل الإنسان قديماً يستخدم النحاس في صناعة الأواني المخصصة للطهي، بحيث تنتقل الحرارة بسرعة من خلالها، أما اليوم فقد استبدل الإنسان أواني الطبخ النحاسية بأواني مصنوعة من الألومنيوم، وهو معدن آخر له قدرة كبيرة على نقل الحرارة. وأرخص من النحاس.
3- انتقال الحرارة بالإشعاع
في الطرق السابقة لانتقال الحرارة (التوصيل والحمل الحراري)، يكون وجود المادة ضروريا. في حالة التوصيل، يجب أن يكون جسمان على اتصال مباشر، وفي حالة الحمل الحراري، يحدث انتقال للجزيئات داخل السائل. لكن الحرارة يمكن أن تنتشر أيضًا في الفراغ، دون تلامس أو انتقال المادة.
الإشعاع هو الطريقة التي تنتقل بها الحرارة في الفراغ، وهو الطريقة التي تتلقى بها الأرض الحرارة من الشمس. يمكن اعتبار الفضاء بين الكواكب فارغًا، لأن كثافة المادة منخفضة جدًا. لكن الأرض تسخنها الشمس، فكيف يحدث هذا؟
الأجسام الساخنة في الفضاء، مثل الشمس، التي تكون درجة حرارتها مرتفعة للغاية، تبعث إشعاعات كهرومغناطيسية، تتكون من موجات تولدها المجالات الكهربائية والمغناطيسية. وتنتشر هذه الموجات في الفضاء الفارغ بسرعة الضوء (حوالي 300 ألف كيلومتر في الثانية). يحمل الإشعاع الكهرومغناطيسي طاقة (الطاقة الكهرومغناطيسية)، وعندما يصطدم الإشعاع بجسم ما، تنتقل الطاقة إلى جزيئاته، مما يؤدي إلى زيادة الطاقة الحركية لهذه الجزيئات. ولذلك يمكن القول أن الإشعاع هو وسيلة انتقال الحرارة نتيجة امتصاص الإشعاع الكهرومغناطيسي بواسطة جزيئات المادة
انتقال الحرارة بالحمل الحراري
الحمل الحراري هو عملية نقل الحرارة التي تحدث في السوائل. تحتوي السوائل على معامل توصيل حراري منخفض جدًا، وبالتالي تكون عملية التوصيل فيها بطيئة جدًا.
تنتقل الحرارة في السوائل بالحمل الحراري بالآلية التالية:
عندما يتم تسخين السائل، يتحرك الجزء الساخن داخل السائل، ويحمل معه الطاقة الحرارية. وبالتالي يتم إنشاء تيارات الحمل الحراري داخل السائل، بحيث يتم نقل جزيئات السائل الأكثر سخونة نحو الأجزاء الباردة من السائل، مما يؤدي إلى انتقال الحرارة داخل كتلة السائل نفسه.