انتقال الحرارة: القوانين ، أشكال النقل ، أمثلة - جسدي - بدني - 2026

يحدث انتقال للحرارة عندما تنتقل الطاقة من جسم إلى آخر بسبب الاختلاف في درجة الحرارة بين الاثنين. تتوقف عملية نقل الحرارة بمجرد تساوي درجات حرارة الأجسام المتلامسة أو عند إزالة التلامس بينهما.

كمية الطاقة المنقولة من جسم إلى آخر في فترة زمنية معينة تسمى الحرارة المنقولة. يمكن لجسم ما أن يعطي الحرارة إلى آخر ، أو يمكنه امتصاصها ، لكن الحرارة تنتقل دائمًا من الجسم ذي أعلى درجة حرارة إلى الجسم ذي درجة الحرارة الأقل.

الشكل 1. في النار توجد ثلاث آليات لنقل الحرارة: التوصيل والحمل الحراري والإشعاع. المصدر: Pixabay.

وحدات الحرارة هي نفس وحدات الطاقة وفي النظام الدولي للقياسات (SI) هو الجول (J). الوحدات الحرارية الأخرى المستخدمة بشكل متكرر هي السعرات الحرارية ووحدة BTU.

أما القوانين الرياضية التي تحكم انتقال الحرارة فتعتمد على آلية التبادل.

عندما تنتقل الحرارة من جسم إلى آخر ، فإن معدل تبادل الحرارة يتناسب مع فرق درجة الحرارة. يُعرف هذا بقانون فورييه للتوصيل الحراري ، والذي يؤدي إلى قانون نيوتن للتبريد.

أشكال / آليات انتقال الحرارة

إنها الطرق التي يمكن من خلالها تبادل الحرارة بين جسمين. يتم التعرف على ثلاث آليات:

-القيادة

- إتصال

-إشعاع

في قدر مثل ذلك الموضح في الشكل أعلاه ، توجد آليات نقل الحرارة الثلاث التالية:

- يتم تسخين المعدن الموجود في القدر بشكل أساسي عن طريق التوصيل.

- يتم تسخين الماء والهواء ويرتفعان بالحمل الحراري.

- يتم تسخين الأشخاص القريبين من الإناء بفعل الإشعاع المنبعث.

القيادة

يحدث التوصيل الحراري في الغالب في المواد الصلبة وخاصة في المعادن.

على سبيل المثال ، ينقل الموقد الموجود في المطبخ الحرارة إلى الطعام داخل الإناء من خلال آلية التوصيل عبر المعدن الموجود في الجزء السفلي والجدران المعدنية للحاوية. في التوصيل الحراري لا يوجد نقل مادي ، فقط طاقة.

الحمل

آلية الحمل الحراري نموذجية للسوائل والغازات. تكون هذه دائمًا أقل كثافة في درجات الحرارة المرتفعة ، ولهذا السبب هناك انتقال للحرارة إلى أعلى من أجزاء السوائل الأكثر سخونة إلى المناطق الأعلى مع أجزاء السوائل الأكثر برودة. في آلية الحمل الحراري هناك نقل المواد.

إشعاع

من جانبها ، تسمح آلية الإشعاع بتبادل الحرارة بين جسمين حتى عندما لا يكونا على اتصال. المثال المباشر هو الشمس ، التي تسخن الأرض عبر الفراغ بينهما.

جميع الأجسام تنبعث وتمتص الإشعاع الكهرومغناطيسي. إذا كان لديك جسمان بدرجات حرارة مختلفة ، حتى لو كنت في فراغ ، فسيصلان بعد فترة إلى نفس درجة الحرارة بسبب التبادل الحراري بواسطة الإشعاع الكهرومغناطيسي.

معدل نقل الحرارة

في الأنظمة الديناميكية الحرارية المتوازنة ، يكون مقدار الحرارة الكلية المتبادلة مع البيئة أمرًا مهمًا ، بحيث ينتقل النظام من حالة توازن إلى أخرى.

من ناحية أخرى ، في نقل الحرارة ، يتركز الاهتمام على الظاهرة العابرة ، عندما لا تصل الأنظمة بعد إلى التوازن الحراري. من المهم ملاحظة أن كمية الحرارة المتبادلة يتم تبادلها في فترة زمنية معينة ، أي أن هناك سرعة في نقل الحرارة.

أمثلة

- أمثلة على التوصيل الحراري

في الموصلية الحرارية ، تنتقل الطاقة الحرارية من خلال الاصطدامات بين ذرات وجزيئات المادة ، سواء كانت صلبة أو سائلة أو غازية.

المواد الصلبة هي أفضل موصلات للحرارة من الغازات والسوائل. توجد في المعادن إلكترونات حرة يمكنها التحرك عبر المعدن.

نظرًا لأن الإلكترونات الحرة لديها قدرة كبيرة على الحركة ، فهي قادرة على نقل الطاقة الحركية من خلال الاصطدامات بكفاءة أكبر ، وهذا هو السبب في أن المعادن لها موصلية حرارية عالية.

من وجهة نظر عيانية ، يتم قياس الموصلية الحرارية على أنها كمية الحرارة المنقولة لكل وحدة زمنية ، أو تيار السعرات الحرارية H:

الشكل 2. التوصيل الحراري من خلال قضيب. من إعداد فاني زاباتا.

يتناسب تيار السعرات الحرارية H مع المقطع العرضي للمنطقة A والتغير في درجة الحرارة لكل وحدة مسافة طولية.

يتم تطبيق هذه المعادلة لحساب تيار السعرات الحرارية H لشريط مثل الموجود في الشكل 2 ، والذي يقع بين خزانين لدرجات الحرارة T ₁ و T ₂ على التوالي ، حيث T ₁ > T ₂.

التوصيلات الحرارية للمواد

فيما يلي قائمة بالتوصيل الحراري لبعض المواد بوحدات واط لكل متر لكل كلفن: W / (m. K)

الألومنيوم -------- 205

نحاس --------- 385

الفضة ---------- 400

فولاذ ---------– 50

الفلين أو الألياف الزجاجية - 0.04

الخرسانة أو الزجاج ----- 0.8

خشب ----- 0.05 إلى 0.015

الهواء ---------- 0.024

- أمثلة على حرارة الحمل

في الحمل الحراري ، يتم نقل الطاقة بسبب حركة المائع ، والذي يكون له كثافات مختلفة عند درجات حرارة مختلفة. على سبيل المثال ، عندما يتم غلي الماء في إناء ، فإن الماء القريب من القاع يزيد من درجة حرارته ، وبالتالي يتمدد.

هذا التمدد يجعل الماء الساخن يرتفع ، بينما ينزل البارد ليشغل المساحة التي خلفها الماء الساخن الذي ارتفع. والنتيجة هي حركة دوران تستمر حتى تتساوى درجات الحرارة على جميع المستويات.

الحمل الحراري هو ما يحدد حركة الكتل الهوائية الكبيرة في الغلاف الجوي للأرض وأيضًا يحدد دوران التيارات البحرية.

- أمثلة عن حرارة الإشعاع

في آليات نقل الحرارة عن طريق التوصيل والحمل الحراري ، يلزم وجود مادة لانتقال الحرارة. في المقابل ، في آلية الإشعاع ، يمكن للحرارة أن تنتقل من جسم إلى آخر من خلال الفراغ.

هذه هي الآلية التي تنقل بها الشمس ، عند درجة حرارة أعلى من درجة حرارة الأرض ، الطاقة إلى كوكبنا مباشرة من خلال فراغ الفضاء. يأتي الإشعاع إلينا من خلال الموجات الكهرومغناطيسية.

جميع المواد قادرة على إصدار وامتصاص الإشعاع الكهرومغناطيسي. يعتمد الحد الأقصى للتردد المنبعث أو الممتص على درجة حرارة المادة ويزداد هذا التردد مع درجة الحرارة.

يتبع الطول الموجي السائد في طيف الانبعاث أو الامتصاص لجسم أسود قانون Wien ، الذي ينص على أن الطول الموجي السائد يتناسب مع عكس درجة حرارة الجسم.

من ناحية أخرى ، فإن القوة (بالواط) التي ينبعث بها الجسم أو يمتص الطاقة الحرارية عن طريق الإشعاع الكهرومغناطيسي تتناسب مع القوة الرابعة لدرجة الحرارة المطلقة. يُعرف هذا بقانون ستيفان:

P = εAσT ⁴

في التعبير أعلاه σ هو ثابت ستيفان وقيمته 5.67 × 10-8 واط / م ² كلفن ⁴. A هي مساحة سطح الجسم و هي انبعاث المادة ، وهو ثابت بلا أبعاد تتراوح قيمته بين 0 و 1 ويعتمد على المادة.

تمرين حل

ضع في اعتبارك الشريط الموجود في الشكل 2. افترض أن الشريط يبلغ طوله 5 سم ونصف قطره 1 سم ومصنوع من النحاس.

يتم وضع الشريط بين جدارين يحافظان على ثبات درجة حرارته. تبلغ درجة حرارة الجدار الأول T1 = 100 درجة مئوية ، بينما تكون درجة حرارة الجدار الآخر عند T2 = 20 درجة مئوية. تحديد:

أ.- قيمة التيار الحراري H

ب - درجة حرارة العارضة النحاسية عند 2 سم و 3 سم و 4 سم من جدار درجة الحرارة T1.

الاجابه على

نظرًا لأن القضيب النحاسي موضوع بين جدارين تحافظ جدرانهما على نفس درجة الحرارة في جميع الأوقات ، فيمكن القول إنها في حالة مستقرة. وبعبارة أخرى ، فإن التيار الحراري H له نفس القيمة لأي لحظة.

لحساب هذا التيار ، نطبق الصيغة التي تربط التيار H مع الاختلاف في درجات الحرارة وطول الشريط.

منطقة المقطع العرضي هي:

أ = πR ² = 3.14 * (1 × 10 ^-2 م) ² = 3.14 × ^10-4 م ²

فرق درجة الحرارة بين نهايات الشريط هو

ΔT = (100ºC - 20ºC) = (373K - 293K) = 80K

Δx = 5 سم = 5 × 10 ^-2 م

الارتفاع = 385 واط / (م · ك) * 3.14 × ^10-4 م ² * (80 ك / 5 × 10 ^-2 م) = 193.4 واط

هذا التيار هو نفسه في أي نقطة على الشريط وفي أي لحظة ، منذ الوصول إلى الحالة المستقرة.

الحل ب

في هذا الجزء ، يُطلب منا حساب درجة الحرارة Tp عند نقطة P تقع على مسافة Xp من الجدار T ₁.

التعبير الذي يعطي تيار السعرات الحرارية H عند النقطة P هو:

من هذا التعبير ، يمكن حساب Tp من خلال:

لنحسب درجة الحرارة Tp عند المواضع 2 سم و 3 سم و 4 سم على التوالي ، مع استبدال القيم العددية:

• Tp = 340.6 K = 67.6 درجة مئوية ؛ 2 سم من T1
• Tp = 324.4K = 51.4 درجة مئوية ؛ 3 سم من T1
• Tp = 308.2K = 35.2 درجة مئوية ؛ 4 سم من T1

المراجع

1. Figueroa، D. 2005. السلسلة: فيزياء العلوم والهندسة. المجلد 5. السوائل والديناميكا الحرارية. حرره دوغلاس فيغيروا (USB).
2. كيركباتريك ، ل. 2007. الفيزياء: نظرة على العالم. الطبعة السادسة المختصرة. سينجاج ليرنينج.
3. Lay، J. 2004. الفيزياء العامة للمهندسين. USACH.
4. موت ، ر. 2006. ميكانيكا الموائع. الرابعة. الإصدار. تعليم بيرسون.
5. Strangeways، I. 2003. قياس البيئة الطبيعية. الثاني. الإصدار. صحافة جامعة كامبرج.
6. ويكيبيديا. توصيل حراري. تم الاسترجاع من: es.wikipedia.com