انتقال الحرارة
تنتقل الحرارة تلقائيا من جسم درجة حرارته مرتفعة إلى جسم درجة حرارته أقل من الأول. إذن الحرارة هي تبادل طاقي مع العالم المحيطبنا. وعندما نريد ضبط درجة الحرارة المحيط لتحقيق راحة الإنسان،يجب أن يكون هناك نوع من التبادل الحراري، كالتسخين حين يكون الجو باردافي فصل الشتاء أو التبريد حين يكون الجو حارا في فصل الصيف
تتم عملية انتقال الحرارة إما بالتوصيل الحراري أو الحِمْل الحراري أو الإشعاع الحراري، ويمكن أن تتنقل الحرارة بمجموع هذه الطرق في نفس الوقت
طرق انتقال الحرارة
تمهيد :
ـ كيف تنتقل الحرارة من مكان إلى آخر في نفس المادة ؟
ـ كيف تنتقل الحرارة من مكان إلى آخر ولكن بين عدة أنواع من المواد ؟ كيف يمكن أن نمنع انتقال الحرارة ( حينما تكون غير مرغوب فيها ) ؟
ـ لعلك تفكر ( مثلاً ) كيف تصلنا حرارة الشمس قاطعة مسافة مقدار 150 مليون كم ( البعد بين الشمس والارض ) .
سنحاول الإجابة عن هذه الأسئلة وغيرها من خلال بعض الظواهر المألوفة لنا ، ومن تجارب بسيطة يمكن للدارسين أن يجربوها بأنفسهم .
تجربة (1) : انتقال الحرارة بالتوصيل Conduction
الأدوات اللازمة : إبريق شاي في حالة غليان محتوياته ، ملعقة شاي .
طريق العمل :
ـ حرّك الشاي باستخدام الملعقة الصغيرة ، ماذا تلاحظ ؟
ـ كم من الوقت يمكنك أن تستمر في التحريك ( يمكنك ان تقدر الوقت عن طريق العدد من واحدة .. اثنان .. ثلاثة ) .
ـ ما نوع مقبض إبريق الشاي ( أو إبريق غليان الماء تحت الضغط أي إبريق صغير ) ؟
ـ اذكر ثلاث أدوات أخرى في المطبخ تصنع مقابضها من مواد شبيهة ؟
ـ لماذا تستعمل أمك فوط من القماش او قفازات سميكة لتناول الصواني من فرن الغاز ؟
ـ لماذا تصنع أوعية الطبخ ( الطناجر والمقالي ) من المعدن ، بينما تصنع مقابضها من البلاستيك أو الخشب ؟
ـ هل استخدمت مصطلح موصل للحرارة Conductor أو مادة موصلة للحرارة ، ومصطلح عازل Insulator أو مادة عازلة للحرارة من قبل ؟
ـ اضرب خمسة أمثلة لمواد موصلة للحرارة نستخدمها في حياتنا العادية .
ـ اضرب ثلاثة أمثلة لمواد عازلة للحرارة نستخدمها في حياتنا اليومية .
ـ النحاس موصل جيد للحرارة وكذلك الحديد ، كيف يمكنك أن تختبر ما إذا كانا يتمتعان بنفس درجة التوصيل أو أنهما يختلفان في درجة التوصيل ؟ اكتب طريقة الاختبار كاملة .
ـ اختر مجموعات كل واحدة منها مكونة من سلكين يمكن استخدامهما في اختبار درجة التوصيل لكل من الحديد والنحاس .
1. سلك حديد قطره 7 ملم .
أربعة أسلاك طول كل واحد منها 50 سم ودرجة حرارته 30ْم وهي :
2. سلك حديد قطره 8 ملم .
3. سلك نحاس قطره 8 ملم .
4. سلك نحاس قطره 7 ملم
\
/
طرق انتقال الحرارة
يكتسب أو يفقد الجسم الحرارة بإحدى الطرق التالية:
التوصيل Conduction
إذا اتصل جسم ساخن بجسم آخر أبرد منه فإن الحرارة تنتقل من الجسم الساخن إلى الجسم الأبرد بالتوصيل.
الحمل: فعند تسخين كمية من السائل من الأسفل فإن درجة حرارة السائل الملاصق لمصدر التسخين ترتفع فتقل كثافته فيرتفع للأعلى حاملا الحرارة التي اكتسبها ويحل محله سائل أبرد. وهذا ما يحدث في الغازات أيضا حيث تعمل تيارات الحمل على نقل الحرارة من الأماكن القريبة من مصدر التسخين إلى الأماكن التي تعلوها.
الإشعاع: مهما اختلفت درجة حرارة الأجسام فإنها تصدر إشعاعا على شكل أمواج كهر ومغناطيسية، وكلما زادت سخونة الجسم ازدادت شدة الإشعاع الصادر منه.
وفي البداية نستعرض الحقائق التالية:
إن درجة حرارة سطح الشمس 6000°س بينما متوسط درجة حرارة سطح الأرض 15°س
يتحول الإشعاع قصير الموجة القادم من الشمس والذي يمتص بواسطة سطح الأرض إلى طاقة حرارية.
بما إن درجة حرارة سطح الأرض أقل بكثير من درجة السطح الخارجي للشمس فإن الأرض تشع إشعاعا طويل الموجة في مدى يتراوح ما بين 4-80 ميكرون ويسمى هذا الإشعاع بالإشعاع الأرضي.
إن الأرض في حالة اتزان إشعاعي حيث أنها تشع كمية من الطاقة تعادل نفس كمية الطاقة التي تستقبلها لذلك فان متوسط درجة حرارة سطح الأرض ثابتة تقريبا وتساوي 15°س
إن هذا الاتزان بين الإشعاع الأرضي والشمسي يتحقق عند معظم خطوط العرض فمثلا نجد في المنطقة الممتدة بين خطي عرض (صفر-35°) في كل من نصفي الكرة الأرضية بأن كمية الطاقة الممتصة تزيد عن كمية الطاقة المنبعثة إلى الفضاء ومن ثم فإنه يوجد فائض في الطاقة في هذه المناطق. وبالمقابل يوجد نقصان في الطاقة في المناطق الممتدة بين خط عرض 35° والقطبين.
إن الحرارة تنتقل عبر خطوط العرض, من خطوط العرض المنخفضة إلى خطوط العرض العالية ويشمل انتقال الطاقة هذا كل من الغلاف الجوي والمحيطات.
يساعد على انتقال الطاقة باتجاه خطوط الطول تأثير الدوامات "المرتفعات والمنخفضات الجوية"
انتقال الحرارة في الغلاف الجوي
إن سطح الأرض يمتص 43% من الإشعاع الشمسي الساقط على قمة الغلاف الجوي.
يمتص الغلاف نفسه حوالي 22% من الإشعاع قصير الموجة
إذن في المتوسط هناك حوالي 65% من الإشعاع الشمسي الساقط هو الذي له أثر حراري على سطح الأرض لان حوالي 35% من الأشعة الساقطة تنع!..!!..! ثانية إلى الفضاء الخارجي.
بناء على ذلك يعتبر الغلاف الجوي نفاذا بدرجة كبيرة للإشعاع الشمسي قصير الموجة.
تمتص اليابسة والمحيطات الطاقة القادمة من الشمس محولة إياها إلى طاقة حرارية, وبناءا عليه ترتفع درجات حرارة المواد الأرضية كل بطريقة خاصة ففي مناطق اليابسة يمتص الإشعاع بواسطة طبقة من القشرة الأرضية سمكها بضع سنتمترات وعليه فإن التغير اليومي لدرجة الحرارة السطحية ملحوظة، أما فوق المسطحات المائية فإن التسخين الناتج عن امتصاص الماء لا يؤثر فقط في الطبقات السطحية للماء بل ينتقل هذا التسخين هابطا من السطح عن طريق تيارات الحمل التي تنقل الطاقة الحرارية إلى أعماق ملحوظة.
