مفهوم الموصلية الحرارية
في هذا المقال سنتعرف على مفهوم نقل الحرارة وأنواعها، وهو نقل الحرارة عبر الأجسام، حيث يتم ذلك بطرق مختلفة وهي التوصيل الحراري والحمل الحراري والإشعاع، والطاقة الحرارية هي طاقة مهمة جدا في الحياة اليومية وفي الصناعات المختلفة وفي أمور أخرى أيضا، وسنتعرف في المقال التالي على مفهوم نقل الحرارة بالتوصيل، لذا تابعوا معنا السطور القادمة على موقع الموسوعة.
مفهوم الموصلية الحرارية
- يتم تعريف الموصلية الحرارية بأنها قدرة المادة على نقل وتوصيل الطاقة الحرارية من مكان إلى آخر داخل المادة. ويحدث ذلك نتيجة لتغيرات في الطاقة داخل المادة بسبب حركة الإلكترونات بعد اكتسابها طاقة حرارية في مستويات الطاقة المختلفة.
- وتتحرك الحرارة في الداخل من مكان ذو درجة حرارة وطاقة عالية للجزيئات إلى مكان ذو درجة حرارة وطاقة منخفضة للجزيئات .
- وهي إحدى الطرق المعروفة لنقل الحرارة عبر التوصيل ومن الأمثلة التي توضح ذلك: عندما تضع يدك بالقرب من مقلاة ساخنة وتشعر بحرارتها العالية.
- ومن الأمثلة التي توضح نقل الحرارة عن طريق الإشعاع هو الحرارة التي تدخل المنزل من الشمس عبر الزجاج.
الفرق بين التوصيل الحراري والحمل الحراري
- يمكن التفريق بسهولة بين التوصيل الحراري والحمل الحراري عن طريق إجراء اختبار يعرف باسم اختبار الإناء الساخن. عندما تقترب يدك من الإناء بدون لمسه، ستشعر بالحرارة التي تنقلها الهواء من الإناء، وستكون هذه الحرارة أقل بكثير من حرارة الإناء. وهذا ما يسمى بانتقال الحرارة بالحمل.
- إذا لمست الإناء، فإن الحرارة ستنتقل إلى يدك عن طريق التوصيل وتكون عالية جدا بالمقارنة.
- يمكننا فهم مصطلح الموصلية الكهربائية بشكل أوسع عن طريق مقارنته بموصلية المواد، فهناك مواد توصيل كهربائي جيد مثل الحديد والألومنيوم والنحاس .
- وهناك مواد ضعيفة التوصيل للكهرباء مثل الخشب والبلاستيك، وأيضا هناك مواد ذات توصيلية حرارية عالية ومواد أخرى ذات توصيلية حرارية متوسطة ومواد ضعيفة التوصيل للحرارة.
أنواع المواد من حيث الموصلية الحرارية
- تنقسم المواد من حيث التوصيل الحراري إلى عدة أنواع، حيث تتحكم الروابط بين جزيئات المادة في ذلك.
- كلما زاد الترابط بين الجزيئات، زادت الموصلية الحرارية للمادة .
- مع كل قلة الترابط يحدث نوع من التشتت الحراري مما يقلل من التوصيل الحراري للمادة.
وتختلف أنواع المواد تبعا لعدة عوامل:
- تتأثر موصلية الحرارة بعدة عوامل، على سبيل المثال، المواد الصلبة عموما لديها موصلية حرارية أعلى بكثير من السوائل، والسوائل عادة تكون أعلى من الغازات.
- العامل الثاني هو التركيب الكيميائي، حيث تتغير القدرة التوصيلية بتغير التركيب الكيميائي للمادة ونوع المادة من حيث كونها فلزية أو غير فلزية. وعادة ما تكون المعادن لها قدرة توصيلية حرارية عالية بالمقارنة مع اللافلزات التي لها قدرة توصيلية حرارية منخفضة إلى حد ما، حيث تتسرب الحرارة في اتجاه المعدن نفسه قبل أن تنتقل في الهواء.
- كمثال على ذلك، قم بوضع ملعقة معدنية في إناء به ماء ساخن وحاول أن تمسك الطرف الآخر للملعقة بعد بضع دقائق، ستجد أن الطرف الآخر أصبح ساخنا جدا وتظل الطاقة الحرارية تتسرب داخل المعدن نحو الجزء البارد حتى يحدث تعادل وتتساوى درجة حرارة الجزء البارد مع الجزء الساخن.
لماذا نغمس الأجسام الساخنة في الماء
- كان الإنسان في السابق يعرف أسهل طريقة لتبريد المواد الساخنة عن طريق غمسها في الماء قبل اكتشاف التوصيل الحراري وعلوم الديناميكا الحرارية. فإذا أعطيت أي شخص قطعة حديد ساخنة وطلبت منه تبريدها، فإن أسهل إجراء يمكنه اتخاذه هو وضعها في وعاء به ماء.
- عندما تحترق يدك، يمكنك غمرها في الماء. لا يتطلب الماء أن يكون باردا، بل يكفي أن يكون عذبا وفاترا. فلماذا نضع الحديد الساخن في الماء ليبرد؟ وما العلاقة بين ذلك والموصلية الحرارية؟
الإجابة بسيطة: نضع الحديد الساخن في الماء ليبرد، حيث أن قوى الترابط بين جزيئات الماء أقل منها بكثير بين جزيئات المعدن وبعضها . - الماء في حالته السائلة والمعدن يتميز بقوة الترابط بين جزيئاته، مما يجعل الموصلية الحرارية للمعدن أعلى من الماء، مما يسمح للحرارة بالهروب من سطح المعدن بسرعة، ونظرا لاكتساب المعدن الحرارة بسرعة، فإنه يفقدها بسرعة أيضا دون النظر إلى الوسط المحيط.
لماذا النحاس أسرع من الحديد والالمنيوم في توصيل الحرارة
تنقسم المواد حسب توصيل الحرارة إلى مواد جيدة التوصيل للحرارة ومواد سيئة التوصيل للحرارة، وتختلف المواد الجيدة التوصيل للحرارة بقدرتها على توصيل الحرارة بينها.
يعتمد نقل الحرارة عبر التوصيل على الروابط بين الجزيئات، وتكون روابط الجزيئات في المعدن النحاس أقوى من تلك الموجودة في الألومنيوم والحديد، وبالتالي، يتم نقل الحرارة بين جزيئات المعدن بسرعة، مما يجعله أفضل في توصيل الحرارة.
لا يتوقف الأمر عند قوة الروابط بين جزيئات المادة الواحدة، بل هناك عامل آخر يؤثر في التوصيل وهو عدد الإلكترونات الحرة في آخر مستوى طاقة لكل عنصر. ويكون النحاس هو الأفضل في ذلك لأن عدد الإلكترونات الحرة في آخر مستوى طاقة للنحاس أكبر منه في الحديد والألومنيوم. وعندما يتعرض جزء من النحاس للحرارة، تتحرك الإلكترونات بشكل أكبر منها في الحديد والألومنيوم نتيجة للطاقة الحرارية المكتسبة.
وها نحن قد انتهينا من تقديم هذا المقال الذي قدمنا من خلاله أهم المعلومات عن التوصيل الحراري، وهو أحد الطرق التي تنقل الطاقة الحرارية عبر الأجسام، وقد عرفنا أيضا العوامل التي تؤثر في التوصيل الحراري، نأمل أن يكون قد نال إعجابكم، ويمكنكم متابعة المزيد من المقالات حول هذه المواضيع من خلال زيارة موقع الموسوعة العربية الشاملة.
المراجع