مقدمة
تعتبر الحرارة انتقال الطاقة الحرارية من جسم إلى آخر بسبب اختلاف درجة الحرارة بينهما، وتنتقل الحرارة بثلاث طرق رئيسية هي التوصيل والحمل الحراري والإشعاع الحراري، ولكل طريقة خصائصها وآلياتها المختلفة.
طرق انتقال الحرارة
1. التوصيل الحراري:
يحدث التوصيل الحراري عندما تنتقل الحرارة من جزيئات ساخنة إلى جزيئات باردة متجاورة، وذلك من خلال الاصطدامات بين الجزيئات المتجاورة.
تنتقل الحرارة في المواد الصلبة عن طريق التوصيل الحراري، وذلك لأن المواد الصلبة تحتوي على جسيمات متقاربة تسمح بانتقال الحرارة بسهولة.
المواد التي تنتقل فيها الحرارة بسهولة عن طريق التوصيل الحراري تسمى موصلات جيدة للحرارة، مثل المعادن، بينما المواد التي تنتقل فيها الحرارة بصعوبة تسمى عوازل حرارية، مثل البلاستيك والخشب.
2. الحمل الحراري:
الحمل الحراري هو انتقال الحرارة في السوائل والغازات، وذلك من خلال انتقال السائل أو الغاز من منطقة ساخنة إلى منطقة باردة، مما يحمل الحرارة معه.
تحدث الحركة التصاعدية للسائل الساخن والحركة الانحدارية للسائل البارد بسبب اختلاف الكثافة، مما يؤدي إلى تكوين تيارات حرارية.
الحمل الحراري هو الطريقة الرئيسية التي تنتقل بها الحرارة في السوائل والغازات، مثل انتقال الحرارة من الشمس إلى سطح الأرض، وانتقال الحرارة من المدفأة إلى الغرفة.
3. الإشعاع الحراري:
الإشعاع الحراري هو انتقال الحرارة عبر الأمواج الكهرومغناطيسية، مثل الأشعة تحت الحمراء والأشعة المرئية والأشعة فوق البنفسجية.
ينتقل الإشعاع الحراري في الفراغ دون الحاجة إلى وسط مادي، وذلك لأن الموجات الكهرومغناطيسية لا تحتاج إلى وسط مادي للانتشار.
جميع الأجسام تشع الحرارة باستمرار، ولكن الأجسام ذات درجة الحرارة المرتفعة تشع الحرارة بمعدل أعلى من الأجسام ذات درجة الحرارة المنخفضة.
4. التوصيل الحراري في المواد الصلبة:
معدل انتقال الحرارة بالتوصيل الحراري في المواد الصلبة يتناسب مع مساحة المقطع العرضي للمادة، ودرجة الحرارة بين نهايتيه، والمعامل الحراري للمادة.
تعتبر المعادن مثل النحاس والألمنيوم موصلات جيدة للحرارة، بينما تعتبر المواد العضوية مثل الخشب والبلاستيك عوازل حرارية.
يمكن زيادة معدل انتقال الحرارة بالتوصيل الحراري في المواد الصلبة عن طريق زيادة مساحة المقطع العرضي للمادة، وزيادة درجة الحرارة بين نهايتيه، واستخدام مواد ذات معامل حراري مرتفع.
5. الحمل الحراري في السوائل والغازات:
معدل انتقال الحرارة بالحمل الحراري في السوائل والغازات يتناسب مع مساحة سطح المادة، ودرجة الحرارة بين سطح المادة والسائل أو الغاز، ومعامل الحمل الحراري.
تعتبر السوائل والغازات ذات الكثافة المنخفضة موصلات جيدة للحرارة بالحمل الحراري، بينما تعتبر السوائل والغازات ذات الكثافة العالية عوازل حرارية.
يمكن زيادة معدل انتقال الحرارة بالحمل الحراري في السوائل والغازات عن طريق زيادة مساحة سطح المادة، وزيادة درجة الحرارة بين سطح المادة والسائل أو الغاز، واستخدام مواد ذات معامل انتقال حراري مرتفع.
6. الإشعاع الحراري:
معدل انتقال الحرارة بالإشعاع الحراري يتناسب مع مساحة سطح المادة، ودرجة الحرارة المطلقة للمادة، وثابت ستيفان بولتزمان.
تعتبر الأجسام ذات السطح الأسود موصلات جيدة للحرارة بالإشعاع الحراري، بينما تعتبر الأجسام ذات السطح العاكس عوازل حرارية.
يمكن زيادة معدل انتقال الحرارة بالإشعاع الحراري عن طريق زيادة مساحة سطح المادة، وزيادة درجة حرارة المادة، واستخدام مواد ذات سطح أسود.
7. تطبيقات انتقال الحرارة:
تستخدم طرق انتقال الحرارة في العديد من التطبيقات العملية، مثل التدفئة والتبريد وتبريد المحركات وتصنيع المواد والطهي.
تستخدم المواد ذات التوصيل الحراري المرتفع في صناعة المبادلات الحرارية والمشعات الحرارية، بينما تستخدم المواد ذات التوصيل الحراري المنخفض في صناعة العوازل الحرارية.
تستخدم الحرارة الناتجة عن الاحتراق في تشغيل المحركات والفرن والمدافئ.
يستخدم الإشعاع الحراري في صناعة الأفران والمصابيح الكهربائية وأجهزة التسخين بالأشعة تحت الحمراء.
خاتمة
تعتبر الحرارة انتقال الطاقة الحرارية من جسم إلى آخر بسبب اختلاف درجة الحرارة بينهما، وتنتقل الحرارة بثلاث طرق رئيسية هي التوصيل والحمل الحراري والإشعاع الحراري، ولكل طريقة خصائصها وآلياتها المختلفة. تستخدم طرق انتقال الحرارة في العديد من التطبيقات العملية، مثل التدفئة والتبريد وتبريد المحركات وتصنيع المواد والطهي.