تعريف معامل التوصيل الحراري. نتحدث عنها من خلال هذا المقال. كما نذكر لكم مجموعة متنوعة من الفقرات المميزة الأخرى مثل مفهوم التوصيل الحراري والتوصيل الحراري للهواء وماهيته والخاتمة طرق انتقال الحرارة.
تعريف معامل التوصيل الحراري
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.
مفهوم التوصيل الحراري
الموصلية الحرارية للمادة هي مقياس لقدرتها على توصيل الحرارة. يُشار إليه عمومًا بـ k\lambda، أو kappa، ويحدث انتقال الحرارة بمعدل أقل في المواد ذات الموصلية الحرارية المنخفضة مقارنة بالمواد ذات الموصلية الحرارية العالية. على سبيل المثال، تتمتع المعادن عادةً بموصلية حرارية عالية وتكون فعالة جدًا في توصيل الحرارة، بينما العكس صحيح بالنسبة للمواد العازلة مثل الستايروفوم. في المقابل، تستخدم المواد ذات الموصلية الحرارية العالية على نطاق واسع في تطبيقات المشتت الحراري، وتستخدم المواد ذات الموصلية الحرارية المنخفضة كعزل حراري. يُطلق على مقلوب التوصيل الحراري اسم المقاومة الحرارية.
– المعادلة المحددة للتوصيل الحراري هي {\displaystyle \mathbf {q} = -k\nabla T}، حيث \mathbf {q} هو التدفق الحراري، وk هو الموصلية الحرارية، و{\displaystyle \nabla T} هو التدرج في درجة الحرارة. يُعرف هذا بقانون فورييه للتوصيل الحراري. على الرغم من أنه يتم التعبير عنها بشكل شائع على أنها عددية، إلا أن الشكل الأكثر عمومية للتوصيل الحراري هو موتر من الدرجة الثانية. ومع ذلك، يصبح وصف التوتر ضروريًا فقط في المواد متباينة الخواص.
الموصلية الحرارية للهواء ما هو؟
-إذا تحدثنا عن التوصيل الحراري في الهواء فلابد أن نلاحظ حقيقة حركة الجزيئات الجزيئية في الفضاء، أي أن هناك حركة جزيئية وجسيمية. يمكن أن يحدث التبادل مع أجسام متجانسة ومختلفة في التكوين. يمكن أن يحدث انتقال الحرارة هذا في ثلاث حالات: الغاز والسائل والبلور (الحالة الصلبة).
توجد التوصيل الحراري للهواء لموازنة درجة الحرارة بين الأجسام من خلال الارتداد واستقبال الجزيئات الساخنة. لهذا، حسابها الدقيق ضروري. يتم حساب تحديد التوصيل الحراري وفقًا لقانون فورييه وفقًا لصيغة خاصة. يتم استخدامه في تشييد المباني أو الهياكل أو أي مباني تقع فيها المكاتب أو يمكن استخدامها كمساحة للمعيشة.
– تساعد التوصيل الحراري للهواء عمال البناء على اختيار المواد المناسبة لكل مبنى حسب الغرض من تشغيل المبنى. بالنسبة للغرف التي سيتم تكييفها مع مكان الإقامة، يتم اختيار المواد التي تحتفظ بالحرارة ولا تسمح بتدفق الهواء البارد.
-أفضل أنواع الطاقة الدافئة هي أنواع الغازات المختلفة. أسوأ الموصلات كلها معادن شائعة، لأنه لتسخينها والبدء في تحريك الجزيئات، تحتاج إلى درجة حرارة عالية، وهو أمر لا يمكن تحقيقه في الظروف العادية. يمكن ملاحظة تبادل الجزيئات بين الأجسام عندما نطبخ على الموقد أو فوق النار.
– من خلال فتح الغاز في الموقد نقوم بإشعال النار فيه، وبذلك يبدأ توليد الحرارة الموجهة إلى الأطباق، وبعد ذلك تبدأ جزيئات المواد التي تصنع منها الأطباق في إعطاء حرارتها للمادة الموجودة داخل الأطباق ، ويسخن. تشرح طريقة نقل الطاقة هذه التوصيل الحراري للهواء.
– تعتمد التوصيل الحراري بشكل كبير على بنية المادة. وكلما زادت مساميتها، انخفضت موصليتها. هناك مصطلح مثل التغيير في التوصيل الحراري. يشير إلى المواد التي يمكن أن تنتقل من حالة إلى أخرى، على سبيل المثال، الجليد والماء.
-في الوقت الحالي، يتم قياس التوصيل الحراري للمادة باستخدام أدوات خاصة تسمح لنا بفحص التوصيل الحراري بسطح ساخن للمادة يتم قياسه من 30 إلى 750 درجة.
– في أغلب الأحيان، تتكون هذه الأجهزة من عنصر تسخين كهربائي، ومقاييس حرارة منخفضة القصور الذاتي، حيث توجد المزدوجات الحرارية، ويقع الهيكل نفسه في غلاف معدني مملوء بمادة عازلة للحرارة. يتم تصنيع عنصر التسخين ومقاييس الحرارة والثلاجة على شكل قرص.
– بمعرفة التوصيل الحراري للهواء، يمكنك تجهيز منزلك أو شقتك بحيث يكون دافئًا فيه، ويمكنك أيضًا تقديم المشورة لأقاربك حول المواد التي يحتاجونها، على سبيل المثال، لتنجيد الجدران في منزل خاص، بحيث يكون ذلك مريحة ودافئة وهادئة.
طرق نقل الحرارة
هناك ثلاث طرق لنقل الحرارة من جسم إلى آخر أو داخل الجسم نفسه:
1-الحمل
تنتقل الحرارة بطريقة الحمل الحراري نتيجة اختلاف الكتلة الحجمية للمائع من منطقة إلى أخرى بسبب اختلاف درجة الحرارة، حيث أن ارتفاع درجة الحرارة يصاحبه انخفاض في الكتلة الحجمية لمعظم السوائل ( السوائل والغازات). إذا تم تزويد السائل بالحرارة من الأسفل، يرتفع السائل الأقل كثافة ويحل محله السائل الأكثر كثافة، وتحدث تيارات الحمل الحراري، التي تنقل الطاقة الحرارية. ومن ثم يوصف الحمل بأنه طبيعي، مثل تدفق الرياح في الغلاف الجوي للأرض، وتدفق المياه في جهاز تسخين المياه في المباني، والتيارات المحيطية التي يعدل مسارها حركة الأرض وتضاريسها. إذا تم استخدام مروحة أو مضخة لتوليد والحفاظ على تيارات الحمل الحراري، كما هو الحال عادة في التدفئة المركزية، فيقال أن نقل الحرارة يحدث عن طريق الحمل القسري.
2-التسليم
في التوصيل، تنتقل الحرارة من الجزيئات الأكثر نشاطا إلى الجزيئات الأقل نشاطا. في الأجسام الصلبة ذات التوصيل الكهربائي الضعيف (العوازل)، تنتقل الحرارة بفضل القوى المرنة التي تربط الذرات التي تهتز حول مواقع توازنها. ويقتصر الأمر هنا على انتقال الطاقة الاهتزازية عبر الشبكة البلورية للجسم الصلب على شكل كمات تسمى الفونونات. أما الموائع (السوائل والغازات) فتنتقل الحرارة نتيجة اصطدام الجزيئات ذات الطاقة الأكثر حركة مع الجزيئات الأقل طاقة. في الأجسام الصلبة ذات التوصيل الكهربائي الجيد (المعادن)، تنتقل الحرارة بفضل عاملين: القوى المرنة، والتي تم ذكرها في حالة الأجسام ذات التوصيل الكهربائي الضعيف. الإلكترونات الحرة، وهي إلكترونات حرة الحركة في المعادن، تتصرف مثل الجزيئات في الغازات وتنتشر عبر المعدن من المنطقة الأكثر سخونة إلى أدنى درجة حرارة، وتنقل الطاقة عن طريق تصادمها مع بعضها البعض في المنطقة الباردة ومع أيونات أيونات الشبكة البلورية.
3-الإشعاع
ويختلف نقل الحرارة بالإشعاع عن الطريقتين السابقتين في أنه يتم في فراغ بين أجسام بعيدة جداً عن بعضها البعض، دون الحاجة إلى وسط ناقل، وبسرعة هي سرعة الضوء (إشعاع الشمس، على سبيل المثال). كما يختلف عنها في أن الإشعاع يخترق بعض الأجسام المادية دون أن يمتصها كلها (اختراق الإشعاع الشمسي إلى الغلاف الجوي للأرض مثلا). كما أن نقل الحرارة بالإشعاع يختلف عن الطرق السابقة بالتوصيل والحمل من حيث آليته. كل جسم، بغض النظر عن درجة حرارته، يصدر إشعاعات كهرومغناطيسية معقدة بفضل الطاقة الحرارية لجزيئاته. وفي الوقت نفسه، إذا وقع عليه إشعاع حراري من أجسام أخرى، فإنه يستطيع امتصاص جزء من طاقة هذا الإشعاع، وتزداد طاقته الحرارية. وأما ما لا يمتصه البدن فينعكس منه إذا كان كامداً، ويمر به إذا كان شفافاً.