نتحدث عن قانون معامل التوصيل الحراري من خلال هذا المقال، كما نذكر لكم مجموعة متنوعة من الفقرات المميزة الأخرى، مثل ما هي الحرارة، وتطبيقات على طرق نقل الحرارة، وفي الختام طرق مختلفة للتوصيل الحراري .
قانون معامل التوصيل الحراري
يسمى قانون معامل التوصيل الحراري بقانون فورييه ويمثله الصيغة الرياضية التالية:
كمية التدفق الحراري = – موصلية المادة × التغير في درجة الحرارة
ومع الرموز؛ q= -k▽ T، بحيث تشير الرموز إلى ما يلي:
س:كمية التدفق الحراري.
ك: موصلية المادة.
▽ T: التغير في درجة الحرارة.
مثال على قانون معامل التوصيل الحراري
ما هي كمية الحرارة المتدفقة من خاتم الفضة إلى جلد الفتاة التي ترتدي هذا الخاتم إذا كانت درجة حرارة الخاتم الفضي 30 درجة مئوية ودرجة حرارة الجلد 20 درجة مئوية؟
الحل:
– الموصلية للفضة = 429.
– بتطبيق القانون q= -k▽ T.
-ثم ف= – (429) × (30 – 20)
– ف= -4290
تطبيقات على طرق نقل الحرارة
وفيما يلي أبرز تطبيقات طرق نقل الحرارة:
1-ظاهرة الاحتباس الحراري
وتحدث هذه الظاهرة في البيوت المحمية، والتي من خلالها تستطيع النباتات امتصاص الإشعاع الشمسي لكي تبقى دافئة، خاصة في فصل الشتاء. فالزجاج الشفاف يسمح بمرور الضوء المرئي على شكل موجات قصيرة، لكنه يمنع خروج الإشعاع طويل الموجة الذي يبقى محصوراً في الداخل.
2- مبدأ التبادل الحراري
يمثل هذا المبدأ عملية انتقال الحرارة من جسم درجة حرارته أعلى إلى جسم درجة حرارته أقل بحيث تتساوى درجات الحرارة وتصل إلى التوازن. على سبيل المثال، عند وضع فنجان قهوة درجة حرارته 80 درجة مئوية في وسط درجة حرارته 26 درجة مئوية، فإن درجة حرارة الفنجان ستنخفض لتصل إلى درجة تساوي فيها البيئة المحيطة.
3- قانون نيوتن للتبريد
يشير هذا القانون إلى أن الأجسام عند درجات حرارة مختلفة ستصل إلى درجة حرارة مشتركة مع درجة حرارة الوسط المحيط بها، حيث يصبح التغير في درجة حرارة الجسم الساخن أقل كلما زادت درجة حرارة الوسط المحيط، بينما التغير في درجة حرارة الجسم البارد يزداد عندما تنخفض درجة حرارة الوسط . المحيطة به مثلا؛ يكون التغير في درجة حرارة فطيرة التفاح الساخنة الموضوعة في الثلاجة أكبر منه عند وضعها في درجة حرارة الغرفة.
ما هي الحرارة؟
الحرارة هي شكل من أشكال الطاقة، وتتولد على مستوى جزيئات المادة. عندما تكتسب المادة طاقة بمقدار معين، تبدأ جزيئاتها بالاهتزاز في مكانها، سواء كانت هذه الجزيئات ثابتة (جسم ثابت) أو متحركة (جسم متحرك). تقوم هذه الجزيئات المهتزة بدورها بنقل الطاقة (الاهتزاز) إلى الجزيئات المجاورة، مما يجعلها تهتز أيضًا.
– كلما زادت الطاقة الموردة للجزيئات، زادت كثافة الحركة الاهتزازية. وعندما تصل طاقة هذه الجزيئات إلى حد معين (مثل درجة الانصهار أو الغليان مثلا)، فإنها تتحرر من الروابط والقوى الداخلية التي تقيدها وبالتالي يتغير طورها أو حالتها الفيزيائية (مثل الانتقال من من الحالة الصلبة إلى الحالة السائلة أو من الحالة السائلة إلى الحالة الغازية).
يمكن أن تنتقل الطاقة الحرارية من مادة إلى أخرى أو حتى داخل نفس المادة عند وجود اختلافات في درجات الحرارة (تقاس درجات الحرارة بشكل رئيسي بالدرجة المئوية مئوية أو كلفن درجة كلفن)، ويمكن أيضًا توليد الحرارة داخل المادة نفسها على حساب لأشكال الطاقة الأخرى (كما في عملية تحويل الطاقة الحركية إلى حرارة على سبيل المثال).
يعتبر الجول الوحدة الدولية لقياس الحرارة (تختلف عن وحدات درجة الحرارة التي ذكرناها سابقاً) ويكتب كاختصار بـ “J”، بينما وحدة الحرارة في النظام المتري هي الكالوري، ويختصر بـ “Cal”. حيث 1 كال = 4.186. جولز.
طرق التوصيل الحراري المختلفة
1- انتقال الحرارة بالإشعاع
في هذه الطريقة، يمكن أن تنتشر الحرارة في الفراغ، دون تلامس أو انتقال المادة. الإشعاع هو طريقة انتقال الحرارة في الفراغ، وهو الطريقة التي تستقبل بها الأرض الحرارة من الشمس. ويمكن اعتبار الفضاء بين الكواكب فارغا، لأن كثافة المادة فيه منخفضة جدا، ولكن الأرض تسخنه. الشمس كيف 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 300000 كم/ثانية) ويحمل الإشعاع الكهرومغناطيسي طاقة (الطاقة الكهرومغناطيسية). عندما 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. ينتقل الإشعاع الكهرومغناطيسي إلى جزيئات المادة. وفي حالة انتقال الإشعاع، لا تنتقل الحرارة، بل ينتقل نوع آخر من الطاقة. وتتحول هذه الطاقة إلى حرارة نتيجة امتصاص الموجات الكهرومغناطيسية. تعتمد كمية الطاقة الكهرومغناطيسية المنبعثة من الجسم على درجة حرارته، كما تعتمد كمية الطاقة التي يمتصها الجسم المتأثر بالإشعاع على طبيعة سطحه: فبعض الأجسام تكون ذات ألوان فاتحة مما يتسبب في انعكاس المزيد من الإشعاع الكهرومغناطيسي أكثر من فيمتصه الجسم، بينما تمتص الأسطح ذات الألوان الداكنة الإشعاع. أكثر مما يعكس. على سبيل المثال، يعكس سطح الجليد عند القطبين معظم الإشعاع الشمسي الذي يصل إليه، بينما تمتص السهول العشبية الخضراء جزءا كبيرا من الطاقة الشمسية. وبشكل عام فإن معدل امتصاص الإشعاع الشمسي في منطقة جغرافية محددة على سطح الأرض يختلف باختلاف نوع السطح والغطاء النباتي وتوزيع المياه والسحب. .
2- انتقال الحرارة بالحمل الحراري
الحمل الحراري هو عملية نقل الحرارة التي تحدث في السوائل. تحتوي السوائل على معامل توصيل حراري منخفض جدًا، لذلك تكون عملية التوصيل فيها بطيئة جدًا ويتم نقل الحرارة في السوائل عن طريق الحمل الحراري. عندما يتم تسخين السائل، يتحرك الجزء الذي تم تسخينه 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.
3- 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 من خلال الاصطدام بين الجزيئات. والنتيجة هي زيادة في درجة حرارة الجسم البارد وانخفاض في درجة حرارة الجسم الأكثر حرارة. ويمكن فهم هذه الآلية عن طريق تسخين أحد طرفي قضيب معدني. يؤدي ذلك إلى انتقال الحرارة داخل القضيب من خلال اصطدام جزيئات المعدن، مما يؤدي إلى ارتفاع درجة حرارة الطرف الآخر تدريجيًا أيضًا. التوصيل هو الطريقة الوحيدة لنقل الحرارة في الأجسام الصلبة (بينما في السوائل، تنتقل الحرارة من خلال التوصيل والحمل الحراري).