ما هي طرق نقل الحرارة؟ تعريف التوصيل الحراري - Conduction تعريف الحمل الحراري - Convection تعريف الإشعاع الحراري - Radiation الفرق بين التوصيل والحمل الحراري والإشعاع الحراري ما هي طرق نقل الحرارة؟ نقل الحرارة هو الفعل المادي للطاقة الحرارية التي يتم تبادلها بين نظامين عن طريق تبديد الحرارة، تعتبر درجة الحرارة وتدفق الحرارة من المبادئ الأساسية لانتقال الحرارة، يتم تحديد كمية الطاقة الحرارية المتاحة من خلال درجة الحرارة، ويمثل تدفق الحرارة حركة الطاقة الحرارية. على النطاق المجهري، فإنّ الطاقة الحركية للجزيئات هي العلاقة المباشرة بالطاقة الحرارية، مع ارتفاع درجة الحرارة ، تزداد الجزيئات في التحريض الحراري الذي يتجلى في الحركة والاهتزازات الخطية، المناطق التي تحتوي على طاقة حركية أعلى تنقل الطاقة إلى مناطق ذات طاقة حركية أقل، ببساطة، يمكن تصنيف نقل الحرارة إلى ثلاثة أنواع: التوصيل الحراري (conduction)، والحمل الحراري (convection)، والإشعاع (radiation). تعريف التوصيل الحراري – Conduction: ينقل التوصيل الحرارة عبر الاصطدام الجزيئي المباشر، منطقة ذات طاقة حركية أكبر ستنقل الطاقة الحرارية إلى منطقة ذات طاقة حركية أقل، سوف تصطدم الجسيمات عالية السرعة بجزيئات السرعة البطيئة، نتيجةً لذلك، ستزداد الجسيمات ذات السرعة البطيئة في الطاقة الحركية، التوصيل هو الشكل الأكثر شيوعًا لانتقال الحرارة ويحدث عن طريق الاتصال المادي الفيزيائي، من الأمثلة على ذلك وضع يدك على نافذة أو وضع المعدن في اللهب المكشوف.
يحدث الحمل الحراري في الطبيعة عندما تجاور الكتلة المائية أو الهوائية مصدر للحرارة، فتكتسب جزيئات هذه الكتل طاقة وتتحرك بسرعة، فتمدد وتصبح أقل كثافة وترتفع ليحل محلها في الأسفل جزيئات السائل البارد الأكثر كثافة،وبسبب هذا الاختلاف في كثافة السوائل تتشكل تيارات الحمل الحراري بطريقة طبيعية. الحمل الحراري الجبري يحدث الحمل الحراري الجبري أو القسري (بالإنجليزية: forced convection)، بسبب تدخل البشر، حيث إنه يحدث باستخدام الآلات التي تنقل وتحرك الموائع والهواء من مكان لآخر، ويعدها المهندسون من أحد الأشكال الرئيسية التي يستخدمونها لنقل الحرارة، ويعود هذا لكفاءتها في نقل كميات كبيرة من الطاقة الحرارية، يستخدم الحمل الحراري الجبري، في أنظمة التدفئة وتكييف الهواء، وتبريد الإلكترونيات، والمبادلات الحرارية، والمضخات والمراوح. يعد الحمل الحراري الجبري، طريقة معقدة بسبب حاجتها لتنظيم عاملان، هما؛ حركة السوائل والتوصيل الحراري، المرتبطان ببعضهما، لأن حركة السوائل يمكن أن تعزز نقل الحرارة، على سبيل المثال؛ ارتفاع معدل حركة السائل تزيد من نقل الحرارة. تطبيقات على تيارات الحمل الحراري يوجد العديد من التطبيقات العملية على تيارات الحمل الحراري في الطبيعية، منها: غلي الماء تكتسب جزيئات الماء طاقة، تحركها بسرعة كبيرة، وعندما تزداد الحرارة تقل كثافة الماء، فتتحرك جزيئات الماء لأعلى، أي أعلى الوعاء، ويحل مكانها الجزئيات الأبرد، وإذا كان الوعاء مغلق بغطاء، فستتكاثف جزيئات الماء، وتبرد فتزداد كثافتها، وتنزل لأسفل، وهكذا في دورة مكررة.
[٢] الرياح تعدّ الرياح مثالاً على تيارات الحمل الحراري، حيث يقوم ضوء الشمس، أو الضوء المنعكس بإطلاق الحرارة مُحدثاً الفرق في درجة الحرارة، والتي تدفع الهواء للتحرك، كما تكون المناطق الظليلة أو الرطبة أكثر برودة، أو أكثر قدرة على امتصاص الحرارة، مما يزيد من هذا التأثير. [٢] الصهارة في باطن الأرض تتحرك الصهارة في باطن الأرض على شكل تيارات حرارية، إذ يقوم المركز الساخن بتسخين المواد فوقه، مما يؤدي إلى ارتفاعها نحو القشرة، حيث تبرد، وتنتج الحرارة من الضغط الشديد على الصخور، إلى جانب الطاقة الصادرة عن الانحلال الإشعاعي الطبيعي للعناصر، ولا يمكن أن تستمر الصهارة في الارتفاع، لذلك فهي تتحرك أفقياً متراجعةً إلى الوراء، كما تقوم التيارات الحرارية بتحريك الصفائح الأرضية بسبب تواجد تيارات الحمل الحراري على طول الصفائح التكتونية على السطح. [٢] تيارات الشمس تتكون التيارات في الشمس بشكل واضح، فالحبيبات التي تكون ظاهرةً في الغلاف الضوئي للشمس هي عبارة عن تيارات الحمل الحراري، ويكون السائل الذي ينتقل في حالة الشمس والنجوم الأخرى هو البلازما بدلاً من السائل أو الغاز. [٢] تجربة تيارات الحمل الحراري فيما يأتي تجربة بسيطة يمكن تطبيقها بسهولة في المدرسة أو البيت تساعد على توضيح مبدأ عمل تيارات الحمل الحراري: [٤] الأدوات نحتاج لإجراء هذه التجربة الأدوات الآتية: وعاء بلاستيكي شفاف ومتوسط الحجم.
ولكن ، من الضروري أن نقول ليس كل أنواع العجين تشير بهدوء إلى مثل هذه التناوب. على سبيل المثال ، قد تسقط كعكة إسفنجية ، ولكن لا يوجد ما يمكن أن يقال عن المرينغ - إنها تحتاج إلى نظام خبز دقيق للغاية ، بحيث لا تستقر الرغوة الأكثر حساسية. فرن غاز أكثر حداثة يمكن أن يحتوي أيضا على عنصر تسخين علوي في الفرن - الموقد. يمكن أن يكون الموقد أعلى كهربائي وقاع للغاز. وجود مصدر حرارة إضافي يجعل عملية الطهي: ببساطة؛ أكثر نوعية أسرع. يمكن للمضيفة ، إذا لزم الأمر ، ضبط الفرن في الفرن من الأعلى والأسفل ، وطهي الأطباق المشوية. من المريح استخدام الفرن الكهربائي ، كما هو الحال في النماذج الحديثة ، على سبيل المثال ، عناصر التسخين Electrolux (الكترولوكس) أكثر من واحد. ولكن حتى هذا غير قادر على توفير طبخ كامل من الأطباق المطبوخة في موقد كهربائي. وذلك لأن الحمل الحراري الطبيعي في الفرن المحلي بطيء ويعتمد على عوامل أخرى. على سبيل المثال ، عند عرض صينية الخبز ، التي توضع في الفرن - إذا لم تكن هناك فجوات على الجوانب ، فإن الموقد الكهربائي لا ينشر الحرارة من الجزء السفلي. الجزء السفلي من الخبز محكوم عليه بالنزع ، ولن يتم خبز الجزء العلوي.
تأثير تيارات الحمل على حركة الصفائح ربط علماء الجيولوجيا ما بين حركة الصفائح التكتونية وبين تيارات الحمل الحراري المتكونة في الصهارة (Magma) والموجودة في وشاح الأرض (Earth's Mantle)، والصهارة هي عبارة عن الصخور المنصهرة الموجودة أسفل قشرة الأرض (Crust)، ويمكن تلخيص تأثير تيارات الحمل الحراري على حركة الصفائح بالنقاط الآتية: [٥] تُشكل طبقة قشرة الأرض الصلبة عازل حراري للجزء الداخلي من الأرض، والذي يُعد شديد السخونة؛ نتيجةً لاحتوائه على صخور الصهارة. ينتج عن الحرارة العالية والضغط الشديد داخل الأرض تدفق صخور الصهارة الساخنة إلى الأعلى عن طريق تيارات الحمل الحراري. ينتج عن تيارات الحمل الحراري المتكونة تحرك الصفائح التكتونية من مكانها، مما يؤدي إلى تشكل قشرة الأرض. ملخص المقال تُعرف تيارات الحمل الحراري بأنها انتقال الحرارة نتيجة لتدفق مادة (سائلة أو غازية) من مكانٍ إلى آخر، إذ عندما يتم تسخين هذه المادة فإنها تصبح أقل كثافة، مما يجعلها تطفو إلى الأعلى، بينما المادة الأقل برودة ستنزل إلى الأسفل، و هناك العديد من الظواهر الطبيعية التي يمكن من خلالها الاستدلال على مبدأ عمل تيارات الحمل الحراري مثل حركة الرياح، وتيارات الشمس، وحركة الصفائح التكتونية، وغيرها الكثير.
[٤] الرياح تنتج بسبب تأثير ضوء الشمس على الهواء، فينتج بذلك مناطق مختلفة في درجة حرارة الهواء المحيط بها، وهذا الاختلاف يحرك الهواء، من المناطق مرتفعة الحرارة ذات الكثافة القليلة، إلى المناطق الأكثر كثافة ذات درجات الحرارة الباردة أو الرطبة. [٤] الصهارة أو الماغما يسخن اللب داخل البركان الصهارة الموجودة فوقه مما يؤدي إلى ارتفاعها نحو القشرة فتبرد، وبعض الصهارة لا تستطيع الارتفاع لأعلى، فتتحرك أفقيًا، ثم تنزل مرة أخرى لأسفل، وتستمر الدورة. [٤] الثلاجة إذ يوجد في الجزء العلوي من الثلاجة وحدة تجميد، تجمد الهواء المحيط بها، فتقل كثافته بسبب بطء جزيئاته الفاقدة للطاقة، فتنزل لأسفل، ويرتفع الهواء الساخن المحيط بالثلاجة لأعلى، بسبب كثافته القليلة، ويتحرك لوحدة التجميد، ليبرد فتزداد كثافته، وهكذا في دورة مستمرة. [٧] العواصف الرعدية إذ تعد من الأمثلة الواضحة لتطبيق التيارات الحرارية، إذ يصعد الهواء الدافئ الرطب القريب من سطح الأرض، بسبب كثافته القليلة إلى ارتفاع عالي من الطبقة التي تتشكل فيها السحب ليبرد ويتكاثف، ويتحول إلى قطرات ماء مشبعة، تتجمع مع بعضها فتشكل السحب، ثم تتجمع عدة سحب مع بعضها، وتشكل سحب أكبر، وتصبح السحب ممتلئة، فيسقط المطر المصحوب بالرعد.
وبالعكس، عند انتقال الحرارة بـ الإشعاع الحراري ، يكون الانتقال عادة بين جسمين. ويحتمل أيضًا أن تنتقل الحرارة بالجمع بين التوصيل والإشعاع الحراري. وفي انتقال الحرارة بالحمل، تُحمل الطاقة الداخلية بين الأجسام من خلال حامل مادي. ففي المواد الصلبة، يتم التوصيل عن طريق الجمع بين ترددات واصطدامات الجزيئات وعن طريق انتشار وتصادمات الفونونات وعن طريق انتشار وتصادمات الإلكترونات الحرة. أما في الغازات والسوائل، يحد التوصيل نتيجة تصادمات وانتشار الجزيئات أثناء حركتها العشوائية. فالفوتونات في هذا السياق لا تصطدم مع بعضها البعض، ومن ثم يكون انتقال الحرارة بالإشعاع الكهرومغناطيسي بعيدًا من الناحية المفاهيمية عن توصيل الحرارة بالانتشار والاصطدام المجهري للجسيمات المادية والفونونات. أما في المادة المكثفة، مثل المواد الصلبة أو السوائل، فإن الفارق بين التوصيل الحراري وانتقال الحرارة بالإشعاع يكون واضحًا في المفهوم الفيزيائي، ولكنه غير واضح في الغالب من ناحية الظواهر، ما لم تكن المادة شبه شفافة. أما مع الغازات فإن الفارق يكون واضحًا من الناحية المفاهيمية ومن ناحية الظواهر. يضم انتقال الحرارة في العلوم الهندسية عمليتي الإشعاع الحراري والحمل وفي بعض الأحيان انتقال الكتلة.