المحتويات
من طرق انتقال الحرارة
انتقال الحرارة هو فرع من الهندسة الحرارية يهتم بتوليد الطاقة الحرارية (الحرارة أو كمية الحرارة) واستخدامها وتحويلها وتبادلها بين المنظومات الفيزيائية. يصنف انتقال الحرارة إلى آليات مختلفة مثل التوصيل الحراري، والحمل الحراري، والإشعاع الحراري، وانتقال الطاقة بالتحولات الطورية. يدرس المهندسون أيضًا انتقال الكتلة مختلفة الصنف الكيميائي، سواءً ساخنة أو باردة، لتحقيق انتقال الحرارة. في حين تتمتع هذه الآليات بمزايا مختلفة، فإنها غالبًا ما تحدث بشكل متزامن في نفس المنظومة.
توصيل الحرارة، ويسمى أيضًا الانتشار الحراري، هو التبادل الميكروسكوبي المباشر للطاقة الحركية للجزيئات عبر حدود المنظومتين. حين يمتلك شيء ما درجة حرارة مختلفة عن جسم آخر أو عن محيطه، تتدفق الحرارة حتى يصل الجسم ومحيطه إلى نفس درجة الحرارة، فيما يدعى بالتوازن الحراري. يحدث انتقال الحرارة العفوي (الطبيعي) هذا دائمًا من منطقة ذات درجة حرارة مرتفعة إلى منطقة أخرى منخفضة درجة الحرارة، كما يصف قانون الديناميكا الحراري الثاني.
يحدث انتقال الحرارة بالحمل عندما يحمل تيار جارٍ من المائع (سائل أو غاز) المتدفق الحرارة مع تدفق المادة في المائع. قد يكون تدفق المائع مدفوعًا بعمليات خارجية، أو في بعض الحالات (في الحقول الثقالية) بواسطة قوى الطفو التي يسببها تمديد الطاقة الحرارية للمائع (كما في أعمدة الدخان)، مؤثرةً بذلك على انتقالها نفسها -أي الطاقة الحرارية-. غالبًا ما تدعى العملية الأخيرة «الحمل الطبيعي». كل العمليات الحملية تحرك الحرارة جزئيًّا بالانتشار (التوصيل) أيضًا. شكل آخر من الحمل هو الحمل القسري. في هذه الحالة يجبر المائع على الجريان باستخدام مضخة، أو مروحة، أو وسيلة ميكانيكية أخرى.
يحدث الإشعاع الحراري عبر الخلاء أو أي وسط شفاف (صلب أو سائل أو غاز). وهو انتقال الطاقة عن طريق الفوتونات في الموجات الكهرطيسية والمحكوم بنفس القوانين.
ما هي الحرارة
كما نعلم فإن الحرارة هي شكلٌ من أشكال الطاقة، وهي تتولّد على مستوى جُزيئات المادّة، فعندما تكتسب المادّة ما طاقةً بمقدارٍ معيّنٍ فإنّ جُزيئاتها تبدأ بالاهتزاز في مكانها، سواءً أكانت هذه الجُزيئات ثابتة (جسم ثابت) أم متحرّكة (جسم متحرّك). هذه الجُزيئات المهتّزة تنقل بدورها الطاقة (الاهتزاز) إلى الجُزيئات المجاورة لها مسبّبةً اهتزازها أيضًا.
وكلما كانت الطاقّة التي تُزوَّد بها الجُزيئات أكبر كلما كانت الحركة الاهتزازيّة أكثر شدّةً. وعندما تبلغ طاقة هذه الجُزيئات حدًّا معيّنًا (كدرجة الذوبان أو الغليان مثلًا) فإنّها تتحرّر من الروابط والقوى الداخليّة المقيّدة لها وتُغيّر بذلك طورها أو حالتها الفيزيائيّة (كالانتقال من الحالة الصلبة إلى الحالة السائلة أو من الحالة السائلة إلى الغازيّة).
ويمكن للطاقة الحراريّة أن تنتقل من مادّةٍ لأخرى أو حتى ضمن المادّة ذاتها عند وجود فروقٍ في درجات الحرارة (تُقاس درجات الحرارة بشكلٍ أساسيٍّ بالسيليزيوس °C أو الكالفن °K)، كما يمكن للحرارة أن تتولّد ضمن المادّة نفسها على حساب أشكال الطاقّة الأخرى (كما في عمليّة تحويل الطاقة الحركية إلى حراريةٍ على سبيل المثال).
يُعتبر الجول (Joule) واحد القياس الدوليّة للحرارة (تختلف عن واحدات درجة الحرارة التي ذكرناها سابقًا) ويكتب “J” اختصارًا، في حين أن واحد الحرارة في النظام المتري هي الكالوري (Calorie) وتُختصر “Cal”، حيث أن 1 كالوري = 4.186 جول.
انتقال الحرارة بالمعنى البسيط
بشكلٍ عام فإن عمليّة انتقال الحرارة تصف تدفّق الطاقة الحرارية بين الجُزيئات المُنفصلة بسبب تفاوت درجات الحرارة فيما بينها. وإن عمليّة الانتقال هذه لا تقتصر فقط على الطاقة، بوصفها طاقةً صرفةً فقط، فقد وجد العلماء أن الانتقال قد يحصل على مستويين آخرين هما الزخم (العمل) والكتلة، بمعنى آخر فإن انتقال الحرارة بين وسطين قد يترافق أيضًا بانتقال كتلة أو زخم أحدهما إلى الآخر
القانون الثاني في الترموديناميك
ينص القانون الثاني للديناميكيّة الحراريّة على أن الحرارة تنتقل في الحالة السويّة الطبيعية باتجاهٍ واحد، من الأجسام ذات الحرارة الأعلى إلى الأجسام ذات الحرارة الأدنى. ومن أجل عكس هذا القانون لابُد من مؤثّرٍ خارجيٍّ يطبّق عملًا أو جهدًا يفرض انتقال الحرارة من الجسم الأبرد إلى الجسم الأكثر حرارةً. وتُعتبر الثلّاجة مثالًا على هذا الانتقال العكسي المُجبر، حيث تقوم الثلّاجة (بواسطة الطاقة الكهربائية) بامتصاص الحرارة من غرفة التبريد بداخلها (وسط أقل حرارة) وإطلاقها إلى الوسط المحيط (وسط أكثر حرارة)
طرق انتقال الحرارة
يمكن للحرارة أن تنتقل بثلاث طرقٍ رئيسيةٍ هي التوصيل (conduction) والنقل (convection) والإشعاع (radiation)، يحتاج كلٍ من التوصيل والنقل إلى وجود وسطٍ مادّيٍّ لكي تتمّ عمليّة النقل، على خلاف انتقال الحرارة بالإشعاع والذي لا يحتاج إلى وسطٍ ماديٍّ.
انتقال الحرارة بالتوصيل
يحدث التوصيل عند تماس جسمين صلبين بدرجات حرارةٍ مختلفةٍ، حيث تنتقل الحرارة من الجسم الأبرد إلى الأدفئ حتى تتساوى درجات الحرارة فيما بينهما. ويمكن تعريف التوصيل بأنّه انتقال الحرارة عبر ارتطام جُزيئات مادّتين مختلفتين حراريًّا. حيث يحدث هذا الاصطدام بين جُزيائات المادة الأولى والثانية في منطقة التماس، فتعطي جُزيئات المادّة الأدفئ، ذات الطاقة الحركية الكبيرة، بعضًا من طاقتها الحركية لجزيئات المادّة الاخرى رافعةً من حرارتها، وهذه الأخيرة تصطدم مع جُزيئات المادّة نفسها ناقلةً الحرارة عبر أجزائها المختلفة.
في الواقع فإن خاصيّة التوصيل تختلف من جسمٍ لآخر، فهناك مواد ذات موصوليّةٍٍ عاليةٍ للحرارة وأخرى ضئيلةٍ. فالأجسام الصلبة مثلًا تتمتّع بناقليةٍ عاليةٍ للحرارة تليها السوائل وأخيرًا الغازات، والتي تُعتبر ذات ناقليّةٍ ضعيفةٍ للحرارة. وهذا في الواقع مرتبطٌ بكثافة جُزيئاتها، فكما نعلم أن جزيئات المادة الصلبة تكون متراصّةً وكثيفةً بخلاف المادّة الغازيّة التي تكون مبعثرةً ومتناثرةً، فيغدو احتمال ارتطام الجزيئات فيها أقل.
من الأمثلة الشائعة لانتقال الحرارة بالتوصيل هي شعورك بانتقال الحرارة إليك عند لمس الأجسام الدافئ.
انتقال الحرارة بالنقل
يُعتبر النقل هو النظام السائد في انتقال الحرارة في السوائل والغازات، ويحدث عندما تنتقل الطبقات الأكثر حرارةً في الغازات والسوائل إلى الطبقات الأبرد. وفي الوقت نفسه فإن الطبقات الأبرد تهبط لتأخذ مكان الفراغ التي تركه انتقال الطبقات الساخنة، وهذه الحركة المستمرّة تشكّل نموذجًا ثابتًا من صعود وهبوط الطبقات الدافئة والباردة باستمرار.
ومن أمثلة انتقال الحرارة بالنقل هو تسخين الماء، فعندما تبلغ درجة حرارة الماء 100 درجة مئوية تبدأ الفقاعات الهوائية بالتشكّل أسفل وعاء التسخين، وبإمكانك ملاحظة كيفيّة انتقال هذه الفقاعات إلى الطبقات العليا وهبوط الماء في السطح إلى الطبقات السفلى في الوقت نفسه.
انتقال الحرارة بالإشعاع
يحتاج كلا التوصيل والنقل إلى وجود وسطٍ ماديٍّ لتنتقل عبره الحرارة بين الأجسام. في حين أن النقل بالإشعاع لا يحتاج إلى وجود وسطٍ ماديٍّ ناقلٍ بين مصدر الحرارة والجسم المُتلقّي لها. فبإمكاننا مثلًا الاحساس بحرارة الشمس على الرغم من أننا بعيدين كل البعد عنها، وذلك لأن الحرارة بإمكانها الانتقال عبر الفراغ الفضائي بواسطة الإشعاع الحراري.
الإشعاع الحراري (يُعرف أيضًا بالأشعة تحت الحمراء) هو في الحقيقة شكلٌ من أشكال الإشعاع الكهرومغناطيسي (أو بمعنى آخر الضوء). والإشعاع بالمعنى العام يصف انتقال الطاقّة على هيئة أمواجٍ كهرومعناطيسيةٍ بسرعة الضوء، وهو لا يحتاج إلى وسطٍ ماديٍّ للانتقال ولا يتطلّب حدوث تبادلًا في كتل الموا