1. تعريف انتقال الحرارة بالتوصيل
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. لماذا يسخن سطح الكرسي الخشبي بينما يبقى سطح الكرسي المعدني باردًا؟ لماذا قد يسبب النوم على أرضية باردة بدون مرتبة ألمًا؟ هل سبق لك أن ارتديت سترة عازلة للبرد؟ لماذا تُصنع معظم السترات العازلة للبرد من الصوف؟ لا تزال هناك العديد من الأمور التي يمكن دراستها والتساؤل عنها فيما يتعلق بموضوع انتقال الحرارة بالتوصيل.
عندما يلامس جزء من جسم ذي درجة حرارة عالية جزءًا من جسم ذي درجة حرارة منخفضة، تنتقل الطاقة من الجسم ذي درجة الحرارة العالية إلى الجزء ذي درجة الحرارة المنخفضة. وتؤدي إضافة الطاقة إلى زيادة سرعة حركة الذرات والجزيئات. يمتلك الجزيء أثناء حركته طاقة حركية (KE = ½ mv² ) . تصطدم الجزيئات الأسرع (ذات الطاقة الحركية الأكبر) بالجزيئات المجاورة لها، وهكذا. تتصادم الجزيئات مع بعضها البعض أثناء انتقال الطاقة. يُطلق على انتقال الحرارة الناتج عن تصادم جزيئات الجسم اسم انتقال الحرارة بالتوصيل.
2. 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 - T2تنتقل الحرارة من جسم ذي درجة حرارة عالية إلى جسم ذي درجة حرارة منخفضة (اتجاه تدفق الحرارة إلى اليمين). يمتلك الجسم الذي تمر به الحرارة مساحة مقطع عرضي (A) وطولًا (l).
بناءً على نتائج التجربة، فإن الحرارة التي تنتقل خلال فترة زمنية معينة (Q/t) تتناسب طردياً مع فرق درجة الحرارة (T 1 – T 2 ).
مساحة المقطع العرضي (A)، وطبيعة الجسم (k = الموصلية الحرارية)، وتتناسب عكسيًا مع طول الجسم. صيغة انتقال الحرارة بالتوصيل:
الوصف: Q/t = معدل انتقال الحرارة، k = الموصلية الحرارية، A = مساحة المقطع العرضي، T 1 = درجة حرارة عالية، T 2 = درجة حرارة منخفضة، l = طول الجسم.
3. الموصلية الحرارية (k)
لماذا تُصنع معظم أواني الطهي من الألومنيوم؟ إذا أمسكتَ الحديد بيدك اليسرى والزجاج بيدك اليمنى، ثم لامس الحديد والزجاج النار، فأيهما تشعر بأن يدك اليسرى أسرع أم اليمنى؟ هذه الأسئلة، وربما غيرها، تتعلق بالتوصيل الحراري للأجسام. التوصيل الحراري هو قدرة الجسم على نقل الحرارة عبره. الأجسام ذات التوصيل الحراري العالي (k) موصلة جيدة للحرارة، بينما الأجسام ذات التوصيل الحراري المنخفض موصلة رديئة للحرارة.
4. تطبيق نقل الحرارة بالتوصيل
لماذا تبدو البلاطات أبرد من السجاد؟ تتميز البلاطات بموصلية حرارية أعلى من السجاد. لذا، تُعد البلاطات موصلاً جيداً للحرارة، بينما يُعد السجاد موصلاً رديئاً لها. عندما نمشي على السجاد، تنتقل الحرارة من أقدامنا نحوه، 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 المشي على البلاط أو السيراميك، فتنتقل الحرارة من القدم إلى البلاط أو السيراميك. ولأن البلاط موصل جيد للحرارة، لا تتراكم الحرارة على سطحه، بل تتدفق بسلاسة، مما يجعل أقدامنا تشعر بالبرودة.
النوم على أرضية المنزل دون استخدام قاعدة قد يُسبب الألم. لماذا؟ يعود ذلك إلى كمية الحرارة التي تنتقل من الجسم إلى الأرض. الحرارة هي الطاقة المتحركة. عندما يفقد الجسم الكثير من الحرارة، تقل طاقته. ونقص الطاقة قد يُسبب المرض!
ما وظائف النوافذ والأبواب؟ ولماذا يُفضل أن تُصنع من الخشب؟ في الليل، تكون درجة الحرارة خارج المنزل أقل من درجة حرارة الهواء داخله. هذا الفرق في درجة الحرارة يُسبب انتقال الحرارة من داخل المنزل إلى خارجه. لذلك، عادةً ما نُغلق الأبواب أو النوافذ ليلاً. يعمل الهواء المحصور داخل النافذة أو الباب كعازل جيد. كلما انخفضت الموصلية الحرارية لجسم ما، كلما صعب انتقال الحرارة بالتوصيل عبره.
إضافةً إلى الحفاظ على وضعنا كبشر متحضرين وطبيعيين، تُسهم الملابس أيضًا في الحفاظ على استقرار درجة حرارة أجسامنا. عادةً ما تُختار الملابس التي نرتديها وفقًا لدرجة حرارة الهواء. فعندما تنخفض درجة حرارة الهواء بدرجة كافية، نختار ملابس أكثر سمكًا. تُعيق الأغطية أو الملابس السميكة (كالسترات وغيرها) حركة الهواء، حيث يُحصر بين الجلد والسترة أو الغطاء. ونظرًا لوجود فرق في درجة الحرارة بين أجسامنا والهواء المحصور، تنتقل الحرارة من الجسم إلى الهواء. وتؤدي إضافة الحرارة من الجسم إلى ارتفاع درجة حرارة الهواء المحصور (يصبح الهواء أكثر دفئًا). ونظرًا لأن الموصلية الحرارية للهواء ضئيلة، لا تستطيع الحرارة الخروج من الجسم، وبالتالي تُحافظ على درجة حرارة أجسامنا. أما إذا لم نرتدِ سترة عندما يكون الهواء باردًا بدرجة كافية، فإن الحرارة ستخرج من أجسامنا. وكلما زادت الحرارة الخارجة من الجسم، فقد الجسم الكثير من الطاقة!
