طرق انتقال الحرارة - انتقال الحرارة بالاشعاع
بسم الله الرحمن الرحيم
الاشعاع هو الطاقة المنبعثة من المادة في شكل كهرومغناطيسي او على شكل فوتونات, نتيجة للتغيرات في التشكيلات الالكترونية للذرات او الجزيئات.
وعندما ندرس النقل الحراري فاننا غير مهتمين بكل انواع الاشعاع. فلا يعنينا مثلا الاشعاع الكهرومغناطيسي كالاشعة السينية ولا الامواج الدقيقة كموجات الراديو. وانما كل ما يهمنا هو الاشعاع الحراري, وهو الاشعاع المنبعث من الاجسام بفعل درجات الحرارة. اذ ان كل الاجسام التي ترتفع درجة حرارتها فوق الصفر المطلق (وهو درجة صفر على مقياس كلفن ) ينبعث منها اشعاع حراري.
وبخلاف الحمل والتوصيل, وقد مر شرح كل منهما في موضوع مستقل, فان نقل الطاقة بالاشعاع لا يتطلب وسيلة وسيطة تقوم بالنقل الحراري. وفي الواقع فان نقل الطاقة بالاشعاع هو اسرع وسيلة, لان عملية النقل تتم بسرعة الضوء ولا تعاني من اي توهين في الفراغ. وبهذه الطريقة تصلنا حرارة الشمس ببضع دقائق على الرغم من طول المسافة بين الارض والشمس والتي تصل الى عدة ملايين الكيلومترات.
ولان الاشعاع ظاهرة حجمية, فان جميع المواد الصلبة او السائلة تمتص, او ينبعث منها, او يمر من خلالها الاشعاع بدرجات متفاوتة.
ومع ذلك فان الاشعاع ظاهرة سطحية بالنسبة للمواد الصلبة المعتمة, مثل الصخور والمعادن. حيث ان الاشعاع المنبعث من المناطق الداخلية لتلك المواد لا يصل اطلاقا الى السطح. وعندما تمتص هذه الاجسام للاشعاع فانه لا يتجاوز سطحها باتجاه باطنها الا ببعض الميكرومترات من السطح.
قانون الانبعاث
الحد الاقصى لمعدل انبعاث الاشعاع من سطح اي جسم عند درجة حرارة مطلقة يمكن الحصول عليه من خلال قانون ستيفان بولتزمان, والمنسوب الى النمساويين جوزيف ستيفان (Josef Stefan) (1835-1895) ولودفيك بولتزمان (Ludwig Boltzmann) (1844-1906), والذي ينص على:
Q=σ*A*(T^4)
حيث ان: σ يسمى بثابت ستيفان بولتزمان, ويساوي 5.67E-8
و A هي مساحة الجسم
و T درجة حرارة الجسم بحسب مقياس كلفن
ويسمى الجسم المثالي الذي يشع باكبر مستوى من الطاقة مقارنة مع اي طاقة يصدرها اي جسم اخر بنفس درجة الحرارة الجسم الاسود. كما ان الاشعاع الصادر من الجسم الاسود يكون بنفس المستوى في كل الاتجاهات. وحينها نستخدم قانون ستيفان بولتزمان السالف الذكر مع اضافة صغيرة:
Q=ε *σ*A*(T^4)
حيث ان الرمز ε يشير الى قابلية الجسم على اطلاق الاشعاع, ويسمى بالانبعاثية. ودائما ما تكون هذه القيمة ما بين الصفر والواحد, وكلما اقتربنا من الواحد اصبح الجسم اكثر مثالية حتى يصل الى ان يكون جسما اسودا ويحصل على الانبعاثية بقيمة واحد.
قابلية الجسم على امتصاص الطاقة
ومن الخصائص المهم دراستها ضمن خصائص الاشعاع هي قابلية الجسم على امتصاص الطاقة المنبثقة مع الاشعاع. وكما في الانبعاث فان قيمة الامتصاص, والتي يشار اليها بالحرف الاغريقي الفا α, تقع ايضا بين الصفر والواحد, حيث ان الجسم الاسود الذي يمتص كامل الاشعاع يحمل القيمة رقم واحد.
واذا:
-كان معدل الامتصاص اكبر من الانبعاث فان الجسم يكسب الطاقة.
- كان معدل الامتصاص اقل من الانبعاث فان الجسم يفقد الطاقة.
وبشكل عام فان كلا من α و ε لاي جسم تعتمد على درجة الحرارة والطول الموجي للاشعاع. وينص قانون كيرشهوف الخاص بالاشعاع والمنسوب الى الالماني ربورت كيرشهوف (Gustav Kirchhoff) (1824-1887), انهما يكونان متساويين عند درجة حرارة معينة وطول موجي محدد. وفي الكثير من التطبيقات العملية فان درجة حرارة السطح ودرجة حرارة المصدر عادة ما تكون متقاربة. كما ان قابلية الجسم الامتصاصية وقابليته الانبعاثية لهما نفس القيمة.
ويحدد المعدل الذي يمتص فيه الجسم للاشعاع من خلال المعادلة:
Q(abs)=α*Q(incident)
حيث ان Q(inciden) هو الاشعاع الواقع على الجسم
اما بالنسبة للاسطح غير الشفافة, فان جزءا من الاشعاع الواقع على تلك الاجسام لا يمتصه الجسم وانما ينعكس مرة اخرى (كما في الشكل التالي). ويسمى الفرق ما بين الاشعاع الممتص والاشعاع المنعكس بصافي الاشعاع الحراري. ويعتمد تحديد المعدل الصافي لنقل الحرارة عن طريق الاشعاع بين سطحين على خصائص الاسطح, وعلى طريقة تواجهمها من حيث ان كان تواجها عموديا ام افقيا او باسلوب اخر, وكذلك على تفاعل الوسط الواقع بين السطحين مع الاشعاع.
واذا كان الجسم محاطا بطبقة كبيرة او طبقة تحمل صفات الجسم الاسود, كالهواء مثلا او حتى الغلاف الجوي المحيط بالارض, فان الطاقة المتبادلة ما بين الجسم وتلك الطبقة يمكن تحديدها بالقانون التالي:
Q=ε *σ*A*(T1^4-T2^4)
حيث ان المساحة والانبعاثية هي قيم الجسم وليس الطبقة
ولا ننسى انه اذا كان الجسم محاط باحد الموائع فان نقل الحرارة يحدث بالتوصيل, او بالحمل الحراري ان كان المائع متحركا (كما في الشكل السابق). ولحساب اجمالي الطاقة المنتقلة يمكن استخدام عامل نقل الحرارة المشترك, h, واستخدامه في القانون التالي:
Q=h*A*(T1-T2)
ونلاحظ ان هذا القانون يشبه الى حد ما قانون الحمل الحراري. لانه عادة ما يتم تجاهل الاشعاع مع وجود انواع اخرى لنقل الحرارة, خصوصا مع نقل الحرارة بالحمل القسري, لان الاشعاع حينها يصبح ضئيلا خصوصا مع انباعثية اشعاع ضئيلة لدى الجسم ودرجة حرارة منخفضة.
وختاما فهذا جدول ببعض المواد والانبعاثية الخاصة بها:
المادة ε النحاس المصقول 0.04 الخشب 0.82 الاسفلت 0.88 الطلاء 0.9 الحجر 0.9 الزجاج 0.95 جلد الانسان 0.95 المياه النقية 0.96 الجليد 0.97 الثلج 0.9
بهذا الموضوع نكون قد تعرفنا على كل طرق نقل الحرارة
اتمنى ان اكون قد وفقت لان اضيف بعض الشئ الى معلوماتكم
رد مع اقتباس
