انتقال الحرارة

هناك ثلاثة أنواع من انتقال الحرارة ، بما في ذلك انتقال الحرارة عن طريق التوصيل والحمل الحراري والإشعاع.

انتقال الحرارة بالتوصيل. عندما يتلامس جسم ذو درجة حرارة عالية مع جسم ذي درجة حرارة منخفضة، تنتقل الطاقة من الجسم ذي درجة الحرارة العالية إلى الجسم ذي درجة الحرارة المنخفضة. وتؤدي الطاقة المضافة إلى زيادة سرعة حركة الذرات والجزيئات المكونة للجسم. وأثناء حركتها، تمتلك الجزيئات طاقة حركية (EK = ½ mv² ⁾ . تصطدم الجزيئات الأسرع حركة (ذات الطاقة الحركية الأكبر) بالجزيئات المجاورة لها، ثم تصطدم هذه الجزيئات بدورها بجزيئات أخرى مجاورة لها، وهكذا. فتتصادم الجزيئات مع بعضها البعض، ناقلةً الطاقة. يُسمى انتقال الحرارة الذي يحدث من خلال التصادمات بين الجزيئات المكونة للجسم بالتوصيل. ويحدث التوصيل عادةً في المواد الصلبة، أو من المواد الصلبة إلى السوائل (أو من السوائل إلى المواد الصلبة)، أو من المواد الصلبة إلى الغازات (أو من الغازات إلى المواد الصلبة).

انتقال الحرارة بالحمل الحراري. يحدث الحمل الحراري عادةً في السوائل (مثل الماء) والغازات (مثل الهواء). وهو انتقال الحرارة المصحوب بحركة الجسم نتيجة لتغير كثافته. تتغير كثافة الجسم بتغير حجمه، ويتغير حجمه بدوره نتيجة امتصاصه كمية معينة من الحرارة.

انتقال الحرارة بالإشعاع. الإشعاع هو انتقال الحرارة على شكل موجات كهرومغناطيسية. من أمثلة الإشعاع الدفء الذي يشعر به جسمك عند اقترابك من موقد، والإشعاع الصادر من الشمس إلى الأرض. تتميز الشمس بدرجة حرارة أعلى (حوالي 6000 كلفن)، بينما تتميز الأرض بدرجة حرارة أقل. هذا الاختلاف في درجة الحرارة بين الشمس والأرض يتسبب في انتقال الحرارة من الشمس (ذات درجة الحرارة الأعلى) إلى الأرض (ذات درجة الحرارة الأقل). لو كان انتقال الحرارة من الشمس إلى الأرض يتطلب وسطًا، كالتوصيل الحراري أو الحمل الحراري، لما وصلت الحرارة إلى الأرض لأنها ستضطر إلى المرور عبر فراغ.

مثال على المشكلات

1. 2015/2016 SMA/MA فيزياء أسئلة الأمم المتحدة رقم 19

تم توصيل قضيبين معدنيين متساويين في الحجم، لكنهما مصنوعان من معدنين مختلفين، كما هو موضح في الشكل أدناه. إذا كانت الموصلية الحرارية للمعدن الأول أربعة أضعاف موصلية المعدن الثاني، فإن درجة الحرارة عند نقطة اتصال المعدنين هي...

و45^oC

ب. 40 ^درجة مئوية

ج. 35 ^درجة مئوية

د. 30 ^درجة مئوية

هـ. 25 ^درجة مئوية

مناقشة

من المعروف أن:

الموصلية الحرارية للمعدن I = 4k

الموصلية الحرارية للمعدن II = k

درجة حرارة حافة المعدن I = 50 ^درجة مئوية

درجة حرارة حافة المعدن II = 0 ^درجة مئوية

السؤال: درجة الحرارة عند نقطة التقاء المعدنين

الجواب:

صيغة معدل انتقال الحرارة بالتوصيل:

الوصف: Q/t = معدل انتقال الحرارة، k = الموصلية الحرارية، A = مساحة السطح، T1 _- T2 ₌ التغير في درجة الحرارة، l = طول القضيب

المعدنان لهما نفس الحجم، لذلك يتم استبعاد A و l من المعادلة.

الإجابة الصحيحة هي ب.

2. 2015/2016 SMA/MA فيزياء أسئلة الأمم المتحدة رقم 19

يوضح الشكل التالي قضيبين معدنيين A و B من أنواع مختلفة متصلين من طرف واحد.

مساحة المقطع العرضي للقضيبين متساوية، لكن طول القضيب A ضعف طول القضيب B، ومعامل التوصيل الحراري للقضيب A ثلاثة أضعاف معامل التوصيل الحراري للقضيب B. إذا تعرضت الأطراف الحرة للقضيبين A وB لدرجات حرارة مختلفة، فإن درجة الحرارة الدقيقة عند نقطة الالتقاء هي...

و60^oC

ب. 64 ^درجة مئوية

ج. 70 ^درجة مئوية

د. 76 ^درجة مئوية

هـ. 78 ^درجة مئوية

مناقشة

من المعروف أن:

الموصلية الحرارية للقضيب A = 3 كيلوجول

الموصلية الحرارية للقضيب B = k

طول القضيب أ = 2ل

طول القضيب B = l

درجة حرارة حافة القضيب أ = 100 ^درجة مئوية

درجة حرارة حافة القضيب B = 40 ^درجة مئوية

السؤال: درجة الحرارة عند نقطة اتصال القضيبين

الجواب:

صيغة معدل انتقال الحرارة بالتوصيل:

الوصف: Q/t = معدل انتقال الحرارة، k = الموصلية الحرارية، A = مساحة السطح، T1 _- T2 ₌ التغير في درجة الحرارة، l = طول القضيب

يتمتع كلا القضيبين بنفس مساحة المقطع العرضي، لذلك يتم حذف A من المعادلة.

الإجابة الصحيحة هي د.

3. 2014/2015 SMA/MA فيزياء أسئلة الأمم المتحدة رقم 14

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

انتقال الحرارة في المعادن هو انتقال الحرارة بالتوصيل. صيغة معدل انتقال الحرارة بالتوصيل هي:

الوصف: Q/t = معدل انتقال الحرارة، k = الموصلية الحرارية، A = مساحة السطح، T1 _- T2 ₌ التغير في درجة الحرارة، l = طول القضيب

الإجابة الصحيحة هي أ.