طرق انتقال الحرارة - انتقال الحرارة بالتوصيل
بسم الله الرحمن الرحيم
هذا هو الموضوع الثاني من مواضيع الانتقال الحراري. اذ سبق وتكلمت عن الانتقال الحراري بالحمل ( Convection), والان سنتناول انتقال الحرارة بواسطة التوصيل (Conduction), والذي يعني ان تنتقل الحرارة من جزئيات غنية بالطاقة والحرارة الى جزئيات اخرى اقل حرارة. وبخلاف الحمل, الذي يستخدم فقط الموائع كمادة ناقلة للحرارة, فان نقل الحرارة بالتوصيل يمكن ان يكون عبر اي مادة ذات وزن سواء كانت مائعة ام صلبة, وحتى المادة في حالة البلازما ـ كالغاز المتأين ـ لها قابلية نقل الحرارة الى جسم اكثر برودة متى ما تم الاتصال بينهما.
وتنتقل الحرارة من جسم الى اخر في المواد الصلبة بفعل الاهتزازات والتردادت في جزيئات المادة, ومن ثم تقوم الالكترونات المتحررة بنقل الحرارة. اما في المواد المائعة, وبسبب ضعف تماسك الجزيئات فيما بينها, فان النقل الحراري يحدث نتيجة انتشار الجزيئات وتصادمها فيما بينها نتيجة لحركتها العشوائية. وهذا يعني ان ناقلية الحرارة في المواد المائعة اضعف منها في المواد الصلبة.
وهناك فرق اخر ما بين النقل الحراري بالحمل والنقل بالتوصيل. اذ انه الحمل يقوم بنقل المادة والحرارة في ان واحد. فالحمل الطبيعي والذي قلنا انه يحدث بفعل اختلاف الكثافة ينتقل فيه المائع ذو الحرارة المرتفعة الى الاعلى ليحل محله المائع ذو الحرارة المنخفضة. في حين ان التوصيل لا يقوم الا بنقل الحرارة والطاقة, اما المادة فلا تنتقل من خلال التوصيل. فمتى ما تعرضنا لهواء ساخن مثلا فان الحرارة فقط هي التي تخترق اجسامنا, وليس الهواء.
يعتمد معدل نقل الحرارة عبر جسم ما على العديد من العناصر, منها شكل الجسم الهندسي وسمكه ومادة تركيبه, اضافة الى اختلاف درجة الحرارة حول الجسم. فمثلا يتم تغليف انابيب المياه الساخنة بطبقة سميكة من مادة الصوف الزجاجي, لانه يعتبر من المواد الجيدة في العزل الحراري والتي تحافظ على الماء بحرارة مرتفعة داخل الانابيب. وحتى في الاستخدام المنزلي فانه عادة ما يتم حشو ساخانات المياه بطبقة من الصوف الزجاجي اضافة الى وضع السخان في مكان درجة حرارته مرتفعة ولا تحدث فرقا كبيرا في اختلاف درجة الحرارة ما بين السخان والوسط المحيط به. هذا مع مراعاة ان تكون مساحة خزان المياه الخاص بالسخان صغيرة بعض الشئ.
لان التجارب اثبتت ان معدل انتقال الحرارة عبر جسم ما يمكن ان يتضاعف اذا ما تضاعف الفرق في درجة الحرارة او تضاعفت مساحة ذلك الجسم. في حين ان الانتقال الحراري يمكن ان يصل الى النصف الى ما تضاعف سمك جدار ذلك الجسم. وهذا يعني ان النقل الحراري من خلال طبقة مسطحة يتناسب مع الفرق في درجة الحرارة عبر مساحة تلك الطبقة, ولكن يتناسب عكسيا مع سمك الطبقة., كل ذلك مضروبا بقابلية المادة على النقل الحراري. بمعنى اوضح:
Q=(K*ΔT*A)/L
حيث ان: Q تشير الى معدل الانتقال الحراري, في حين ان K تعني قابلية المادة على النقل الحراري و ΔT يعني الفرق في درجة الحرارة. وتشير A الى مساحة الجسم و L الى سماكته, كما يوضح الشكل التالي:
وبالنظر الى ان الفرق في درجة الحرارة غير مستقر, لان درجة الحرارة تتغير باستمرار, فانه يمكن استخدام الكمية الفيزيائية المعروفة باسم "التدرج الحراري" والذي يعني ان كل درجة حرارة تتغير بحسب وحدة الطول, وعادة ما تستخدم الوحدة (واحد كلفن لكل متر). فانه يستخدم ايضا قانون فورييه, المنسوب الى العالم الفرنسي جوزيف فورييه ( Jean-Baptiste Joseph Fourier) (1768-1830), والذي ينص على:
Q= -K*A* (ΔT/ΔX)
حيث ان (ΔT/ΔX) يشير الى التدرج الحراري, والذي يعني ان معدل نقل الحرارة في اتجاه ما يتناسب مع تدرج درجة الحرارة في ذلك الاتجاه. وكلما انخفض الفرق في درجة الحرارة وارتفعت قيمة الفرق في X فان النقل الحراري يصبح سالبا. من هنا وحتى نحصل على قيمة ايجابية فاننا نضرب كل هذا القانون في (1-).
وفيما يلي جدول ببعض المواد وقابلية نقلها للحرارة:
المادة K
(W/(m*K))الماء 0.6 الهواء 0.025 الثلج 2 الخشب 0.14 الالمنيوم 237 الذهب 318 الحجر 1.7 الرصاص 395
نلتقي في موضوع اخر
رد مع اقتباس
المشاركة الأصلية كتبت بواسطة Suzana
