قانون معامل التوصيل الحراري نتحدث عنها من خلال مقالنا هذا كما نذكر لكم مجموعة متنوعة أخرى من الفقرات المميزة مثل ما هي الحرارة و تطبيقات على طرق انتقال الحرارة والختام طرق توصيل الحرارة المختلقة.
قانون معامل التوصيل الحراري
يسمى قانون معامل التوصيل الحراري بقانون فورييه بالإنجليزية: Fourier’s ويمثل بالصيغة الرياضية التالية:
كمية التدفق الحراري= – موصلية المادة× التغير في درجة الحرارة
وبالرموز؛ q= -k▽ T، بحيث تشير الرموز إلى ما يأتي:
q: كمية التدفق الحراري.
k: موصلية المادة.
▽ T: التغير في درجة الحرارة.
مثال على قانون معامل التوصيل الحراري
ما هي كمية التدفق الحراري من خاتم فضة إلى جلد فتاة ترتدي هذا الخاتم إذا كانت درجة حرارة خاتم الفضة 30 درجة مئوية ودرجة حرارة الجلد 20 درجة مئوية؟
الحل:
– موصلية الفضة = 429.
-بالتطبيق على قانون q= -k▽ T.
-فإن q= – (429) × (30- 20)
– q= -4290
تطبيقات على طرق انتقال الحرارة
فيما يلي أبرز التطبيقات على طرق انتقال الحرارة:
1-ظاهرة الدفيئة
تحدث هذه الظاهرة في البيوت الزجاجية، والتي من خلالها تتمكن النباتات من امتصاص الإشعاع الشمسي كي تبقى دافئة وخصوصاً في فصل الشتاء، إذ يسمح الزجاج الشفاف بمرور الضوء المرئي الذي يكون على هيئة موجات قصيرة ولكنه يمنع خروج الإشعاعات ذات الموجات الطويلة والتي تبقى محاصرة في الداخل.
2- مبدأ التبادل الحراري
يمثّل هذا المبدأ عمليّة انتقال الحرارة من الجسم ذي درجة الحرارة الأعلى إلى جسم ذي درجة حرارة أقل بحيث تتساوى درجات الحرارة وتصل إلى درجة الاتزان، فعلى سبيل المثال عند وضع كوب قهوة بحرارة 80 درجة مئوية في وسط بحرارة 26 درجة مئوية فإنَّ حرارة الكوب ستنخفض لتصل إلى درجة تتساوى فيها مع الوسط المحيط.
3- قانون نيوتن للتبريد
يشير هذا القانون إلى أنّ الأجسام عند درجات حرارة مُختلفة ستصل إلى درجة حرارة مشتركة مع درجة حرارة الوسط المحيط بها، إذ يصبح التغير في درجة حرارة جسم ساخن أقل مع زيادة حرارة الوسط المحيط به، بينما يزداد التغير في درجة حرارة الجسم البارد عندما تقل حرارة الوسط المحيط به فعلى سبيل المثال؛ يكون التغير في درجة حرارة فطيرة تفاح ساخنة موضوعة في الثلاجة أكبر منه عند وضعها في درجة حرارة الغرفة.
ما هي الحرارة
-إن 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.
طرق توصيل الحرارة المختلقة
1-انتقال الحرارة بالإشعاع
في هذه الطريقة يمكن للحرارة أن تنتشر في الفراغ، دون اتصال أو نقل للمادة والإشعاع هي طريقة انتقال الحرارة في الفراغ، وهي الطريقة التي تستقبل بها الأرض الحرارة من الشمس ويمكن اعتبار الفضاء الموجود بين الكواكب فارغًا، وذلك لأن كثافة المادة فيه منخفضة جدًا لكن الأرض تسخنها الشمس، فكيف يحصل ذلك؟ الأجسام الساخنة الموجودة في الفضاء مثل الشمس، التي تكون درجة حرارتها كبيرة جدًا، تبعث إشعاعات كهرومغناطيسية، تتكون من موجات تولدها المجالات الكهربائية والمغناطيسية، تنتشر هذه الموجات في الفضاء الفارغ المحط بسرعة الضوء (حوالي 300000 كم / ثانية) ويحمل الإشعاع الكهرومغناطيسي الطاقة (الطاقة الكهرومغناطيسية)، وعند اصطدام الإشعاع بجسم ما، تنتقل إلى جزيئاته الطاقة، مما يتسبب في زيادة الطاقة الحركية لهذه الجزيئات.
-لذلك، يمكن القول إن الإشعاع هي طريقة انتقال الحرارة نتيجة امتصاص الإشعاع. الكهرومغناطيسي بجسيمات المادة وفي حالة النقل بالإشعاع، لا يتم انتقال للحرارة، بل يتم نقل نوع آخر من الطاقة، هذه الطاقة تتحول إلى حرارة نتيجة امتصاص الموجات الكهرومغناطيسية وتعتمد كمية الطاقة الكهرومغناطيسية المنبعثة من الجسم على درجة حرارته وتعتمد كمية الطاقة التي يمتصها جسم ما متأثر بالإشعاع على طبيعة سطحه فبعض الأجسام تكون ذات لون فاتح، مما يتسبب في عكس الإشعاع الكهرومغناطيسي أكثر مما يمتصه الجسم، بينما تمتص السطوح ذات اللون الداكن إشعاعًا أكثر مما تعكسه. على سبيل المثال، يعكس سطح الجليد في القطبين معظم الإشعاع الشمسي الذي يصل إليه، بينما تمتص السهول العشبية الخضراء جزء كبير من الطاقة الشمسية، وبشكلٍ عام، تختلف نسبة امتصاص الأشعة الشمسية في منطقة جغرافية معينة على سطح الأرض بحسب نوع السطح والغطاء النباتي وتوزع المياه والسحب.
2-انتقال الحرارة بالحمل
الحمل الحراري هي عملية نقل الحرارة التي تتم في للسوائل. فالسوائل ذات معامل توصيل حراري منخفض جدًا، لذلك، تكون عملية التوصيل فيها بطيئة للغاية وتنتقل الحرارة في السوائل عن طريق الحمل الحراري عندما يتم تسخين السائل، يتحرك القسم الذي تم تسخينه داخل السائل حاملًا معه الطاقة الحرارية. وهكذا يتم إنشاء تيارات الحمل داخل السائل، بحيث يتم نقل جزيئات السائل الأكثر سخونة بتجاه أجزاء السائل الباردة، مما يؤدي إلى نقل الحرارة داخل كتلة السائل نفسه.
3-انتقال الحرارة بالتوصيل
يتم نقل الحرارة بالتوصيل بين جسمين متلامسين، أو بين أجزاء من الجسم نفسه، والتي تكون درجات حرارتها مختلفة. في هذه الحالة، وفي منطقة التلامس بين الجسمين، تنقل جزيئات الجسم ذات درجة الحرارة الأعلى جزء من طاقتها الحركية لجزيئات الجسم ذات درجة الحرارة الأقل ويحدث ذلك عن طريق التصادم بين الجسيمات والنتيجة هي ارتفاع درجة حرارة الجسم الأكثر برودة وانخفاض درجة حرارة الجسم الأكثر حرارة ويمكن فهم هذه الألية من خلال تسخين أحد طرفي قضيب معدني، يؤدي ذلك إلى انتقال الحرارة داخل القضيب عن طريق تصادم جزيئات المعدن، مما يؤدي إلى ارتفاع درجة حرارة الطرف الآخر تدريجيًا أيضًا والتوصيل هو الطريقة الوحيدة لانتقال الحرارة في لأجسام الصلبة (بينما في السوائل، تنتقل الحرارة عن طريق التوصيل والحمل الحراري).
