طرق انتقال الحرارة
انتقال الحرارة هو عبارة عن انتقال الطاقة الحرارية بين الأجسام المختلفة في درجة حرارتها بحيث يتم نقل الحرارة من الكتلة الأسخن إلى الكتلة الأبرد، وعندما تكون درجة حرارة الكتل أو الأجسام مختلفة عن الأشياء التي تُحيط بها فإنّ انتقال الطاقة الحرارية الذي يُسمّى بالتدّفق الحراري أو التبادل الحراري يحدث حتى تصبح درجة حرارة الأجسام واحدة أي حتى يتحقّق التوازن الحراري، وهذا ما يفسّره القانون الثاني للديناميكا الحرارية الذي ينصّ على أنّ انتقال الحرارة يكون من الجسم الأكثر سخونة إلى الجسم الأقلّ سخونة أو البارد، مع العلم أنّ الأجسام القريبة من الطبيعيّ أن يحدث فيما بينها انتقال حراري بحيث لا يُمكن إيقافه نهائياً، ولانتقال الحرارة بين الأجسام ثلاثة طرق أساسية، وهي:
انتقال الحرارة بالتوصيل
عندما نقول أنّ الحرارة انتقلت بين جسمين بالتوصيل فإنّنا نعني أنّه حدث انتقال للطاقة من الجزيئات الأكثر نشاطاً إلى الجزيئات الأقلّ نشاطاً بالنسبة لمادّة معينة نتيجة للتفاعل الفيزيائي والكيميائي بين جزيئاتها سواء بحركة انتقالية عشوائية، أو دورانية، أو اهتزازية، وفي عصرنا الحالي فإنّنا نقيس كمية انتقال الحرارة بدلالة مجموعة من المعادلات الرياضيّة التي تُستخدم لحساب وتحديد قيمة الطاقة المنقولة خلال فترة زمنية واحدة، ومن هنا يُمكننا تعريف معامل التوصيل بأنّه مقدار الحرارة التي تنتقل عبر مساحة معيّنة من الأجسام خلال وحدة زمنية
انتقال الحرارة بالحمل
انتقال الحرارة عن طريق الحمل يحدث بين سطحين أو جسمين بوجود وسط بينهما، حيث يُمكن تصنيف انتقال الحرارة بالحمل إلى نوعين، الأول يُسمّى الحمل الطبيعي الذي يحدث دون أي تدخل أو تأثير من الإنسان، فمثلاً انتقال الهواء وحمله للحرارة من المكان الحارّ إلى المكان البارد يحدث نتيجة لتغيّر الكثافة التي تُصاحب دائماً التغيرات في درجات الحرارة؛ لأنّ الغازات الساخنة تقلّ كثافتها وترتفع نحو الأعلى حتى يتم استبدالها بالغازات الباردة. أما النوع الثاني يُسمى الحمل الجبري أو القسري، وهذا النوع من الحمل يتكون عندما يؤثر على الجسم مصدر خارجي، حيث تنتقل جزيئات المائع الذي ينقل الحرارة قسرياً كأن يوجد مجموعة من التيارات المُولّدة باستخدام أجهزة صناعية تعمل على تكوين فرق في مقدار الضغط بين منطقتين متخلفتين في المائع، ممّا يؤدي ذلك الأمر إلى نقل الحرارة بصورة قسرية كما هو الحال في مروحة التبريد داخل الأجهزة الكهربائية
انتقال الحرارة بالإشعاع
المقصود بانتقال الحرارة بالإشعاع أن يتم استخدام الإشعاعات مثل: أشعة الليزر، أو الأشعة فوق البنفسجية؛ لأنّها تحتوي على كمية كبيرة من الحرارة، فجميع الموجات الكهرومغناطيسيّة على اختلاف أنواعها وأشكالها لها طاقة حرارية تعتمد على ترددها كما في الأشعة تحت الحمراء.
مصادر الطاقة الحرارية
الشمس هي المصدر الرئيسي للطاقة الحرارية منذ بداية الكون، فالأشعة المنبعثة منها تمنح سطح الأرض الطاقة اللازمة لبقاء الكائنات على قيد الحياة وتمكنها من العيش، ولكن مع تطور العلوم المختلفة استطاع الإنسان صناعة مصادر أخرى لتوليد الطاقة الحرارية، كالآتي:
التفاعلات النووية: كالاندماجات النووية الحاصلة في جسم الشمس.
التفاعلات الكيميائية: كعملية الاحتراق الداخلي والخارجي.
الإشعاع الكهرومغناطيسي: كالطاقة الصادرة من المواقد الكهرومغناطيسية.
الحركة بين الأجسام: كالاحتكاك.
وحدات قياس درجة الحرارة الكلفن
تُسمَّى بِدَرجَةِ الحَرارَةِ المُطلَقَة، يُرمَزُ لَهَا بِالرَّمزِ (ك) أو (K)، سُمّيت بَهذا الاسم نِسبَة إِلى العَالِم البريطانيّ كلفن، وَهي الوِحدَة المُعتَمَدَة فِي النِّظامِ الدَولِيّ لِلوِحدَاتِ، استِخدَامَات وِحدة الكِلفن فِي المَجَالاتِ العِلميَّةِ وَاسِعة جِدَّاً؛ لارتِبَاطها بِنَشَاطِ الجُزَيئَاتِ، وَلِرَبطِها بَينَ الحَجمِ والضَّغط لِلغَازِ، عِند دَرَجة صِفر كلفن يَتوقّف نَشَاط الجُزيئَات كُليَّاً فِي كُلِّ شَيءٍ، لِذا تُعتَبَرُ أَخفَض دَرَجَة حَرَارَة فِي الطَّبيعَةِ، وَفِعلِيَّاً لَم يَتم الوُصُول إِليها. نَادِرَاً مَا تُستَخدَم وِحدة غَير الكلفن فِي المَجالاتِ العِلمِيَّةِ، وَفي حَالِ تَمَّ استِخدَام وِحدَة أُخرَى يُذكَر مَا يُعادِلُها عَلى مِقياسِ الكلفن.
السّلسيوس
يُرمَزُ لَهَا بِالرَّمزِ (م) أو(°C)، اعتُمِدَت فِي تَدرِيجَاتها عَلى دَرَجةِ تَجَمُّدِ المَاءِ وَغَلَيانِه، فَأُعطي صِفرها لِدَرَجَةِ حَرَارَةِ تَجَمُّد المَاءِ و100 دَرَجَة فِيها أُعطِيَت لِدَرَجَةِ غَلَيانِ المَاءِ، وَكل دَرَجَة فِيها تُعطِي حَرَارَة بَين التَجمُّد وَالغَلَيان لِلماءِ عِندَ الضَّغطِ الجَّوي القِياسِيِّ، وَتمَّ اقتِراح هَذا المِقياس مِنَ العَالِم السويديّ أندرس سليسيوس، وَسُمِّي بِاسمه فِي القَرنِ الثَّامنِ عشر، وَالاسم المَشهور لَها اليَوم هو السّليسيوس، ولَكن قَبل العام 1948 ميلاديّة كانَ الاسم المُتَدَاوَل لَها المئويّ، وَنِظام دَرَجة الحَرارة السيلسيوس شَائِع الاستِخَدامِ حَول العَالَم نَظراً لِسُهولَتِه، بِاستِثناءِ الوِلايات المُتّحدة الأَمريكيَّة التَّي تَتَعامَلُ بِمقياسِ الفهرنهايت
الفهرنهايت
وَهي وِحدَة القِياسِ الشَّائِعَة الاستِخدَامِ فِي الولايات المُتَّحدة الأِمريكيَّة، يُرمَزُ لَها بالرَّمزِ (ف) أو (F) نِسبَةً لِلعَالِم الأَلمانِيّ دانيال فهرنهايت، وَقد وُضِعَت تَدريجاتها بِالاعتِمادِ عَلى خَلطِ نِسَبٍ مُتَساوِيَةٍ مِنَ الثَّلجِ، وَالماءِ، وكلوريد الأمونيوم، وَأُعطيَت دَرَجة حَرارَةِ المَحلول فَور الخَلطِ الصِّفر فهرنهايت، وَحَسَب مِقياس دَرَجة تَجَمُّد المَاءِ كَانت عِند 32 درجة، بَينَما غَليان الماءِ عِند دَرَجَةِ حَرَارَة 212 دَرجة
الرّانكين
وهوَ مِقياس لِلحرَارَة المُطلَقة كَما هُو الحَال بالنِّسبَة لِلكلفن، ويرمز لها بالرّمز (ر) أو (R)، وَسُمِّيَت عَلى اسمِ العَالِم الاستكلنديّ وليم رانكين.
التّحويل بين وحدات قياس الحرارة
يتمّ التّحويل بين وحدات قياس الحرارة كالآتي:
في مقياس السّليسيوس يغلي الماء عند درجة حرارة 100، ويتجمّد عند 0، الفرق بين القراءتين 100 درجة. في مقياس الكلفن يغلي الماء عند درجة حرارة 273، ويتجمّد عند 273، الفرق بين القراءتين 100 درجة. في مقياس الفهرنهايت يغلي الماء عند درجة حرارة 32، ويتجمّد عند 212، الفرق بين القراءتين 180 درجة. في مقياس الرّانكين يغلي الماء عند درجة حرارة 671.69، ويتجمّد عند 491.69، الفرق بين القراءتين 180 درجة. وَيَتم اتِّباع المُعادَلات الآتية للتّحويلِ بين الوحدات المُختَلِفة
التّحويل بين وحدات السّليسيوس والكلفن من السّليسيوس إلى الكلفن:
ك = 237 + س
من الكلفن إلى السّليسيوس:
س = ك – 237
التّحويل بين وحدات الفهرنهايت والسّليسيوس من السّليسيوس إلى الفهرنهايت:
ف = 1.8 س + 32
من الفهرنهايت الى السّليسيوس:
س = ( ف – 32 ) / 1.8
التّحويل بين وحدات الفهرنهايت والكلفن
من الفهرنهايت إلى الكلفن:
ك = (459.4 + ف) / 1.8
من الكلفن إلى الفهرنهايت:
ف = 1.8 ك – 459.4
التحويل بين الرانكين والكلفن من الرانكين إلى الكلفن:
ك = ر / 1.8
من الكلفن إلى الرّانكين
ر = 1.8 ك
التّحويل بين الرّانكين والفهرنهايت من الرّانكين إلى الفهرنهايت
ف = ر – 459.67
من الفهرنهايت إلى الرّانكين
ر = ف +459.67
أمثلة
ما هي درجات الحرارة المُكافئة لدرجة حرارة 30 سليسيوس بالمقياس فهرنهايت، وبالمقياس كلفن؟
الحل:
للتّحويل من السّليسيوس إلى الفهرنهايت:
ف = 1.8 س + 32
ف = 1.8 *30 + 32
ف = 86
للتّحويل من السّليسيوس إلى الكلفن:
ك = س + 273
ك = 30 + 273
ك = 303
متى تتساوى الحرارة بين الفهرنهايت والسّليسيوس؟
الحل:
ف = س
س = 1.8 س + 32
بحل المعادلة الخَطيّة النّاتجة تكون النّتيجة:
س = -32/ 0.8 = – 40
إذاً عند درجة حرارة – 40 تتساوى القيمتان.
متى تتساوى الحرارة بين الفهرنهايت والكلفن؟
الحل:
ف = ك
ف = 1.8
ف – 459.4
بحل المعادلة الخطية تكون النّتيجة:
ف – 1.8 ف = 459.4
0.8 ف = 459.4
ف = 574.25
إذاً عند درجة حرارة 574.25 تتساوى القيمتان.
ريفان محمد يحي بحيري محنشي
الشبكة الفيزيائية للصف اولى ثانوي 