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.

ما هي العوامل التي تعتمد عليها عملية التوصيل الحراري؟

تعتمد عملية التوصيل الحراري على العوامل التالية: تدرج درجة الحرارة، المقطع العرضي للمادة، طول مسار الحركة، وخصائص المواد الفيزيائية، تدرج درجة الحرارة هو الكمية المادية التي تصف اتجاه ومعدل انتقال الحرارة، سيحدث تدفق درجة الحرارة دائمًا من الأسخن إلى الأبرد أو، كما ذكرنا سابقًا، من طاقة حركية أعلى إلى طاقة حركية أقل، بمجرد أن يكون هناك توازن حراري بين فرقي درجات الحرارة، يتوقف النقل الحراري.

يلعب كل من المقطع العرضي ومسار الحركة دورًا مهمًا في عملية التوصيل، كلما زاد حجم الجسم وطوله، زادت الطاقة المطلوبة لتسخينه، وكلما زادت مساحة السطح المكشوفة، يتم فقد المزيد من الحرارة، الأجسام الصغيرة ذات المقاطع العرضية الصغيرة لها حد أدنى من فقدان الحرارة، تحدد الخصائص الفيزيائية المواد التي تنقل الحرارة بشكل أفضل من غيرها، على وجه التحديد، يفرض معامل التوصيل الحراري أنّ المادة المعدنية ستوصل الحرارة بشكل أفضل من القماش عندما يتعلق الأمر بالتوصيل، المعادلة التالية تحسب معدل التوصيل:

Q = [k × A × (T_hot – T_cold)]/d

حيث: (Q) = معدل نقل الحرارة لكل وحدة زمنية؛ (k) = التوصيل الحراري للحاجز؛ (A) = منطقة نقل الحرارة؛ (T_hot) = درجة حرارة المنطقة الساخنة؛ (T_cold) = درجة حرارة المنطقة الباردة؛ و(d) = سمك الحاجز.

تعريف الحمل الحراري – Convection:

عندما يتم تسخين سائل، مثل الهواء أو السائل، ثمّ ينتقل بعيدًا عن المصدر، فإنّه يحمل الطاقة الحرارية على طول المسار، يسمّى هذا النوع من نقل الحرارة “بالحمل الحراري”، يتمدد السائل الموجود فوق سطح ساخن ويصبح أقل كثافة ويرتفع، على المستوى الجزيئي، تتوسع الجزيئات عند إدخال الطاقة الحرارية.

مع زيادة درجة حرارة كتلة السائل المعينة، يجب أن يزداد حجم السائل بنفس العامل، هذا التأثير على السائل يسبب الإزاحة، عندما يرتفع الهواء الساخن مباشرةً، يدفع الهواء الأكثر برودة وأكثر كثافة لأسفل، تمثل هذه السلسلة من الأحداث كيفية تشكل تيارات الحمل، يتم حساب معادلة معدلات الحمل على النحو التالي:

Q = h_c × A × (T_s – T_f)

حيث: (Q) = هي معدل نقل الحرارة لكل وحدة زمنية؛ (h_c) = معامل انتقال الحرارة الحراري؛ (A) = منطقة انتقال الحرارة على السطح؛ (T_s) = درجة حرارة السطح؛ و(T_f) = درجة حرارة السائل.

سخّان الفضاء (space heater)، هو مثال تقليدي للحمل الحراري، عندما تسخن المدفأة الهواء المحيط بها بالقرب من الأرض، سيزداد الهواء في درجة الحرارة ويتوسع ويصعد إلى أعلى الغرفة، يؤدي هذا إلى دفع الهواء البارد إلى الأسفل بحيث يصبح ساخنًا، ممّا يؤدي إلى تكوين تيار حراري.

تعريف الإشعاع الحراري – Radiation:

يولد الإشعاع الحراري من انبعاث الموجات الكهرومغناطيسية، تحمل هذه الموجات الطاقة بعيدًا عن الجسم المنبعث، يحدث الإشعاع من خلال فراغ أو أي وسط شفاف “إمّا صلب أو سائل”، الإشعاع الحراري هو نتيجة مباشرة للحركات العشوائية للذرات والجزيئات في المادة، تؤدي حركة البروتونات والإلكترونات المشحونة إلى انبعاث الإشعاع الكهرومغناطيسي.

تشع جميع المواد طاقة حرارية بناءً على درجة حرارتها، كلما زادت سخونة الجسم، زاد إشعاعه، الشمس مثال واضح للإشعاع الحراري الذي ينقل الحرارة عبر النظام الشمسي، في درجات حرارة الغرفة العادية، تشع الأجسام كموجات الأشعة تحت الحمراء، تؤثر درجة حرارة الجسم على الطول الموجي وتردد الموجات المشعة، مع زيادة درجة الحرارة، تقل الأطوال الموجية ضمن أطياف الإشعاع المنبعث وتنبعث منها أطوال موجية أقصر مع إشعاع عالي التردد، يتم حساب الإشعاع الحراري باستخدام قانون (Stefan-Boltzmann):

P = e × σ × A × (T_r⁴ – T_c⁴)

حيث: (P) = صافي القدرة المشعة؛ (A) = مساحة المنطقة المشعة ؛ (T_r) = درجة حرارة المبرد؛ (T_c) = درجة حرارة المحيط؛ (e) = الابتعاثية؛ و(σ) = ثابت ستيفان.

تبلغ قيمة الابتعاثية للرادياتير المثالي (1)، المواد الشائعة لها قيم انبعاثية أقل، الألمنيوم المؤكسد له قيمة انبعاثية (0.9) بينما النحاس (0.04)، تقوم الخلية الشمسية أو الخلية الكهروضوئية بتحويل طاقة الضوء إلى كهرباء عبر التأثير الكهروضوئي، يمتص الضوء ويثير الإلكتروكون (electrcon) إلى حالة طاقة أعلى وينتج الجهد الكهربائي عن طريق فصل الشحنات.

يتم تعريف الابتعاثية على أنّها فعالية الجسم في انبعاث الطاقة كإشعاع حراري، هي النسبة عند درجة حرارة معينة، للإشعاع الحراري من سطح ما إلى الإشعاع من سطح أسود مثالي كما هو محدد في قانون “ستيفان بولتزمان”، يتم تحديد “ثابت ستيفان” من خلال ثوابت الطبيعة، قيمة الثابت كما يلي:

σ = (2 × π⁵ × k⁴)/(15 × c² × h³) = 5.670373 × 10^–8 W · m^–2 · K^–4

حيث: (k) = ثابت بولتزمان؛ (h) = ثوابت بلانك؛ و(c) = سرعة الضوء في الفراغ.

الفرق بين التوصيل والحمل الحراري والإشعاع الحراري:

يُعرف الفعل المادي لنقل الطاقة الحرارية بين نظامين عن طريق تبديد الحرارة باسم نقل الحرارة، الأنماط الثلاثة لنقل الحرارة هي التوصيل والحمل الحراري والإشعاع، دعونا نلقي نظرة على الاختلافات بين جميع طرق نقل الحرارة الثلاثة لفهمها بشكل أفضل.