إذا جلست على كرسي خشبي، يصبح سطحه دافئًا. وعلى العكس، إذا جلست على كرسي مصنوع من البلاستيك أو المعدن، فلن تشعر بدفء سطحه بعد الجلوس عليه. لماذا يكون سطح الكرسي الخشبي دافئًا، بينما يكون سطح الكرسي المعدني باردًا؟ لماذا قد يُسبب النوم على أرضية باردة بدون فراش ألمًا؟ هل سبق لك أن ارتديت سترة شتوية؟ لماذا تُصنع معظم السترات الشتوية من الصوف؟ لا تزال هناك العديد من الأمور التي تستحق التفكير والتساؤل فيما يتعلق بموضوع انتقال الحرارة بالتوصيل.
حضّر شمعة وسلكًا رفيعًا. أمسك أحد طرفي السلك، ثم المس الطرف الآخر بلهب الشمعة. انتظر لحظات حتى تشعر بسخونة يدك. لماذا تشعر بسخونة يدك؟ عندما يلامس أحد طرفي السلك لهب الشمعة، تنتقل الحرارة من اللهب (درجة حرارة عالية) إلى الطرف الآخر من السلك (درجة حرارة منخفضة). يؤدي انتقال الحرارة هذا إلى ارتفاع درجة حرارة الطرف الملامس للهب. ثم ينتقل فرق درجة الحرارة بين الطرفين إلى الطرف الملامس للهب، مما يؤدي بدوره إلى ارتفاع درجة حرارة الطرف الملامس ليدك. بعد ذلك، تنتقل الحرارة إلى يدك الباردة، فتشعر بسخونة يدك.
عندما يتلامس جزء من جسم ذي درجة حرارة عالية مع جسم ذي درجة حرارة منخفضة، تنتقل الحرارة من الجسم ذي درجة الحرارة العالية إلى الجسم ذي درجة الحرارة المنخفضة. وتؤدي الطاقة الإضافية إلى زيادة سرعة حركة الذرات والجزيئات المكونة للجسم. وأثناء حركتها، تمتلك الجزيئات طاقة حركية (EK = ½ mv² ) . تصطدم الجزيئات الأسرع (ذات الطاقة الحركية الأكبر) بالجزيئات المجاورة لها، ثم تصطدم هذه الجزيئات بدورها بجزيئات أخرى مجاورة، وهكذا. فتتصادم الجزيئات مع بعضها البعض، ناقلةً الطاقة. يُطلق على انتقال الحرارة الذي يحدث من خلال تصادمات الجزيئات المكونة للجسم اسم انتقال الحرارة بالتوصيل.
معادلة انتقال الحرارة بالتوصيل
الجسم الموجود على اليسار له درجة حرارة أعلى (T1) بينما يكون للجسم الموجود على اليمين درجة حرارة أقل (T2بسبب اختلاف درجة الحرارة (T1 - تي2تنتقل الحرارة من جسم ذي درجة حرارة عالية إلى جسم ذي درجة حرارة منخفضة (اتجاه تدفق الحرارة إلى اليمين). للجسم الذي تمر الحرارة من خلاله مساحة مقطع عرضي (A) وطول (l).
بناءً على نتائج التجربة، فإن كمية الحرارة المنتقلة خلال فترة زمنية محددة (Q/t) تتناسب طرديًا مع فرق درجة الحرارة (T1 – T2 ) ، ومساحة المقطع العرضي (A)، وطبيعة الجسم (k = الموصلية الحرارية)، وعكسيًا مع طول الجسم. صيغة معدل انتقال الحرارة بالتوصيل هي:
الوصف: Q/t = معدل انتقال الحرارة، k = الموصلية الحرارية، A = مساحة المقطع العرضي، T1 = درجة حرارة عالية، T2 = درجة حرارة منخفضة، ل = طول الجسم.
تطبيق نقل الحرارة بالتوصيل
لماذا تبدو البلاطات أبرد من السجاد؟ تتميز البلاطات بموصلية حرارية أعلى من السجاد. لذا، تُعد البلاطات موصلات جيدة للحرارة، بينما يُعد السجاد موصلاً رديئاً لها. عندما ندوس على السجاد، تنتقل الحرارة من أقدامنا إليه، وذلك لأن درجة حرارة أجسامنا أعلى من درجة حرارة السجاد. ولأن السجاد موصل رديء للحرارة، تتراكم الحرارة المنبعثة من أقدامنا على سطحه، مما يجعله أكثر دفئاً. أما عند الدوس على البلاط أو السيراميك، فتنتقل الحرارة أيضاً من أقدامنا إليهما. ولأن البلاط موصل جيد للحرارة، لا تُحتفظ الحرارة على سطحه، بل تنتقل بسلاسة، مما يجعل أقدامنا تشعر بالبرودة. إذا كان منزلك في منطقة باردة، يُنصح بتغطية أرضية غرفة نومك بالسجاد حتى لا يفقد جسمك الحرارة. وعلى العكس، إذا كان منزلك في منطقة حارة، فلا يُنصح بتغطية أرضية غرفة نومك بالسجاد لأنك لن تشعر بالبرودة بل بالحرارة 😉
النوم على الأرض بدون فراش قد يُسبب المرض. لماذا؟ لأن كمية كبيرة من الحرارة تنتقل من جسمك إلى الأرض. الحرارة هي طاقة متحركة. عندما يفقد جسمك الكثير من الحرارة، تنخفض مستويات طاقته. وإذا كنت تعاني من نقص الطاقة، فقد تُصاب بالمرض!
ما وظيفة النوافذ والأبواب؟ ولماذا تُصنع عادةً من الخشب؟ في الليل، تكون درجة حرارة الهواء خارج المنزل أقل من درجة حرارته داخله. هذا الفرق في درجة الحرارة يُسبب انتقال الحرارة من داخل المنزل إلى خارجه. لذلك، نُغلق عادةً الأبواب أو النوافذ ليلاً. فإلى جانب هدفها في ردع المجرمين، تتمثل إحدى وظائف النوافذ والأبواب في منع تسرب الحرارة من المنزل. وعادةً ما تُصنع الأبواب والنوافذ من الخشب، حيث أن موصليته الحرارية منخفضة بما يكفي ليعمل كعازل حراري. ومن وظائف النوافذ والأبواب أيضاً الاحتفاظ بالهواء، فالهواء المحصور داخل النافذة أو الباب يعمل كعازل جيد (يمنع تسرب الحرارة). وموصلية الهواء الحرارية منخفضة جداً، وكلما انخفضت الموصلية الحرارية لجسم ما، كلما صعب انتقال الحرارة بالتوصيل عبره.
إلى جانب الحفاظ على وضعنا كبشر متحضرين وطبيعيين 🙂، تُسهم الملابس أيضًا في الحفاظ على درجة حرارة الجسم ثابتة. عادةً ما يتم اختيار الملابس التي نرتديها وفقًا لدرجة حرارة الهواء. عندما تكون درجة حرارة الهواء منخفضة، نرتدي ملابس أكثر سمكًا. تمنع البطانيات أو الملابس السميكة (السترات، وما إلى ذلك) تدفق الهواء بسلاسة، حيث يُحبس الهواء بين الجلد والسترة أو البطانية. نظرًا لوجود فرق في درجة الحرارة بين جسمنا والهواء المحبوس، تنتقل الحرارة من الجسم إلى الهواء. تتسبب الحرارة الإضافية المنبعثة من الجسم في ارتفاع درجة حرارة الهواء المحبوس (يصبح الهواء أكثر دفئًا). انظر إلى جدول التوصيل الحراري أعلاه. قيمة التوصيل الحراري للهواء منخفضة جدًا، لذلك لا تستطيع الحرارة الهروب من الجسم، وتبقى درجة حرارة أجسامنا ثابتة. إذا لم نرتدِ سترة عندما يكون الهواء باردًا جدًا، فإن الحرارة تتسرب من أجسامنا. كلما زادت الحرارة المتسربة من الجسم، زادت الطاقة التي يفقدها الجسم.
مثال على المشكلات
1. سؤال الامتحان الوطني لعامي 2011/2012، رقم A81، رقم 10
انتبه إلى العبارة التالية!
(1) موصلية المعادن
(2) فرق درجة الحرارة بين طرفي المعدن
(3) طول المعدن
(4) كتلة المعدن
العوامل التي تحدد معدل انتشار الحرارة في المعادن هي...
أ. (1) و (2) و (3)
ب. (1) و (4)
ج. (2) و (4)
د. (3) و (4)
هـ. (4) فقط
مناقشة
استنادًا إلى معادلة معدل انتقال الحرارة بالتوصيل، فإن العوامل التي تحدد معدل انتقال الحرارة هي موصلية المعدن (k)، وفرق درجة الحرارة بين طرفي المعدن (T)، وطول المعدن (l). أما كتلة المعدن فلا تؤثر على هذا المعدل.
الإجابة الصحيحة هي أ.
