مقال حول انتقال الحرارة بالحمل الحراري
هل سبق لك أن زرت الشاطئ في يوم مشمس؟ في الأيام الصافية، تهب الرياح دائمًا من البحر على الشاطئ. لماذا تهب الرياح دائمًا على الشاطئ؟ ولماذا تهب نسائم البحر (الرياح القادمة من البحر إلى اليابسة) نهارًا، بينما تهب نسائم البر (الرياح القادمة من البر إلى البحر) ليلًا؟ ولماذا تتساقط الغيوم على المنحدرات في موسم الأمطار؟ ولماذا نشعر ببرودة الرياح؟ ترتبط إجابات هذه الأسئلة بالحرارة النوعية لليابسة والبحر، والتمدد، والكثافة، وانتقال الحرارة بالحمل الحراري!
من خلال فهم الموضوع جيداً وبشكل صحيح، يمكنك الإجابة على الأسئلة المذكورة أعلاه وغيرها من الأسئلة التي قد تطرحها لاحقاً.
يحدث انتقال الحرارة بالتوصيل عادةً في الأجسام الصلبة، أو من الأجسام الصلبة إلى الأجسام السائلة (ومن الأجسام السائلة إلى الأجسام الصلبة)، أو من الأجسام الصلبة إلى الأجسام الغازية (ومن الأجسام الغازية إلى الأجسام الصلبة). بينما يحدث انتقال الحرارة بالحمل الحراري عادةً في الأجسام السائلة (مثل الماء) والغازية (مثل الماء). انتقال الحرارة بالحمل الحراري هو انتقال الحرارة المصحوب بانتقال الحرارة بين الأجسام. لفهم انتقال الحرارة بالحمل الحراري بشكل أفضل، لنستعرض مثالًا، على سبيل المثال، تسخين الماء باستخدام النار. عندما يُسخّن الماء في وعاء بالنار، تنتقل الحرارة من النار (ذات درجة الحرارة العالية) إلى الوعاء (ذو درجة الحرارة المنخفضة) عن طريق التوصيل والإشعاع. ثم تنتقل الحرارة من الوعاء (ذو درجة الحرارة الأعلى) إلى الماء القريب منه (ذو درجة الحرارة الأقل) عن طريق التوصيل. وتؤدي الحرارة الإضافية إلى ارتفاع درجة حرارة الماء القريب من الوعاء.
تؤدي زيادة درجة حرارة الماء إلى تمدده أو زيادة حجمه، لأنه مع زيادة حجم الماء، تقل كثافته. يكون الماء القريب من قاع الوعاء أسخن من الماء المجاور له. بعبارة أخرى، يكون حجم الماء القريب من قاع الوعاء أكبر وكثافته أقل، بينما يكون حجم الماء فوقه أصغر وكثافته أعلى. يؤدي اختلاف الكثافة إلى تحرك الماء على سطح الوعاء، ذي الكثافة الأعلى، إلى الأسفل، بينما يتحرك الماء القريب من قاع الوعاء، ذي الكثافة الأقل، إلى الأعلى. تستمر هذه العملية حتى تتساوى درجة حرارة الماء داخل الوعاء (إذا كان ضغط الهواء يساوي ضغطًا جويًا واحدًا، فإن الماء في الوعاء يتبخر أو يغلي عند 100 درجة مئوية).
تتضمن ظاهرة الرياح البرية ونسيم البحر انتقال الحرارة بالتوصيل والحمل الحراري. الحرارة النوعية لليابسة أقل من الحرارة النوعية لمياه البحر. لذا، تسخن الأرض بسرعة أكبر عند تعرضها للشمس، وتبرد عند حلول الليل. تسخن حرارة اليابسة الهواء فوقها بسرعة أكبر (تنتقل الحرارة من اليابسة إلى الهواء بالتوصيل). ترتفع درجة حرارة الهواء ويتمدد، مما يؤدي إلى انخفاض كثافته. في المقابل، تكون درجة حرارة مياه البحر أبرد، لذا يكون الهواء فوق مستوى سطح البحر أبرد من الهواء على سطح اليابسة.
يكون الهواء على سطح البحر أبرد، لذا تكون كثافته أعلى. يؤدي اختلاف كثافة الهواء إلى تحرك الهواء على سطح البحر نحو اليابسة، بينما يتحرك الهواء على سطح الأرض إلى الأعلى. كلما ابتعدنا عن سطح الأرض، تقل كمية الهواء لأن قوة جاذبية الأرض تضعف. وبسبب انخفاض كمية الهواء، ينخفض ضغط الهواء أيضًا.
يبرد الهواء الساخن الصاعد فوق اليابسة نتيجة ابتعاده عن سطح الأرض، مما يؤدي إلى انخفاض ضغطه. ثم يهبط الهواء البارد، ليس باتجاه سطح اليابسة بل باتجاه سطح المحيط، حيث تنخفض درجات الحرارة. وتستمر هذه العملية باستمرار، مما يُبقي تدفق الهواء من البحر إلى اليابسة مستمراً. باختصار، يهبط الهواء القريب من سطح البحر إلى الأرض، ويصعد الهواء القريب من سطح الأرض، ثم يصعد الهواء فوق سطح البحر إلى سطح البحر.
لماذا يصعد الدخان دائمًا إلى الأعلى؟ يصعد الدخان إلى الأعلى لأن درجة حرارته أعلى من درجة حرارة الهواء المحيط. وبسبب ارتفاع درجة حرارة الدخان، يزداد حجمه وتقل كثافته. ينتج عن كتلة الدخان الأصغر ضغط أقل مقارنةً بضغط الهواء المحيط، فيدفع الهواء المحيط الدخان إلى الأعلى.
لماذا تتحرك السحب إلى الأسفل في موسم الأمطار؟ خلال موسم الأمطار، تحتوي السحب على كمية كبيرة من بخار الماء، مما يزيد من كثافتها. تتحرك السحب ذات الكثافة العالية والمحملة بكمية كبيرة من بخار الماء إلى الأسفل نحو المناطق التي تتساوى فيها كثافة الهواء المحيط بها مع كثافة السحب. يمكنك طرح العديد من الأسئلة والإجابة عن أسئلة متعلقة بهذا الموضوع إذا فهمت الشرح أعلاه جيدًا وبشكل صحيح.
