انتقال الحرارة في المواد يتم عن طريق التوصيل الحراري للمعادن والتي تختلف من معدن الى اخر. هناك الكثير من المعادن الأخرى تعتبر رديئة التوصيل للحرارة والتي سوف نتعرف عليها في هذه الصفحة. ما يهمنا هو اختبار المعادن ودراستها فيزيائيا من اجل الحصول على مؤشرات مهمة تنفع في الحصول على معرفة كاملة في التوصيل الحراري.
كيف تنتقل الحرارة ؟
اذا وضعت إحدى يديك على جدار بارد لفترة ستشعر ببرودة يدك ، اذا لمست بيدك الاخرى نفس الموضع على الجدار مباشرة، فهل تشعر بالبرودة نفسها مثلما حدث عند وضع يدك أول مرة؟ انك ستجد اختلافا في الحالتين ، أن ذلك يعني أن درجة حرارة الموضع قد زادت عندما لمسته بيدك الأخرى . تنتقل الطاقة الحرارية من أي جسم ساخن إلى أي جسم أقل سخونة منه ، ويتوقف انتقال هذه الطاقة عندما لا يوجد فرق في درجات الحرارة بين الجسمين ، وتنتقل الطاقة الحرارية في المواد بثلاث طرائق هي:
التوصيل الحراري :
إذا وضعت ملعقة معدنية باردة في وعاء فيه سائل ساخن تلاحظ سخونة مقبض الملعقة سريعا حتى وإن لم يكن هذا المقبض في السائل الساخن، بسبب مايسمى التوصيل الحراري. ويحدث التوصيل الحراري عندما تتلامس الأجسام الساخنة والباردة، إذ تنتقل الطاقة الحرارية من المادة ذات الدرجة الحرارية الأعلى إلى المادة ذات الدرجة الحرارية الأدنى، هذا الانتقال يؤدي إلى إكتساب جزيئات الطرف الساخن للملعقة طاقة حركية عالية، فتزداد سرعتها وكذلك تزداد سعة اهتزازها ونتيجة ذلك تصطدم هذه الجزيئات مع الجزيئات المجاورة لها فتنتقل اليها بعض طاقتها شيئا فشيئا من الطرف الساخن إلى الطرف الاخر الأبرد .
ويلاحظ في هذه العملية أن الطاقة الحركية تنتقل من جزيء إلى آخر دون أن تنتقل الجزيئات نفسها من مواضعها . وتسمى هذه العملية بالتوصيل الحراري وهو انتقال الطاقة الحرارية عند التماس المباشر من مادة إلى أخرى أو ضمن المادة نفسها .
وتحدث عملية التوصيل الحراري في جميع المواد الصلبة ولكن بدرجات متفاوتة ، وتمتاز المعادن بشكل خاص بكفاءتها العالية على التوصيل الحراري بسبب وجود الالكترونات الحرة في المعادن. وأكدت التجارب أن الفلزات جميعها جيدة التوصيل للحرارة الا انها تتفاوت في قابلية توصيلها، وقد وجد ان الفضة اجودها توصيلها للحرارة يليها النحاس .
الموصلات والعوازل:
إن سرعة إنسياب الحرارة في المواد يعتمد على طبيعة المواد . فالمواد التي توصل الطاقة الحرارية بشكل جيد تسمی الموصلات الحرارية مثل الفضة والحديد والنحاس، وتسمى المواد التي لا توصل الطاقة الحرارية بشكل جيد العوازل الحرارية مثل الورق والصوف والهواء والزجاج والخشب والماء النقي. ومن الجدير بالذكر أن المواد جيدة التوصيل للحرارة تعد موصلات جيدة للكهرباء.
سؤال: أيهما أفضل لشرب الشاي الساخن أن يكون في كأس من الزجاج أم في كأس من الالمنيوم؟ ولماذا ؟
الفكرة الرئيسة:
تنتقل الحرارة خلال المواد بثلاث طرائق اذ تنتقل الحرارة في المعادن بطريقة التوصيل، أما في السوائل والغازات فتنتقل بطريقتي الحمل والاشعاع .
نتاجات التعلم: في نهاية هذا الدرس ساكون قادرا على أن:
- أقارن بين طرائق التوصيل للحرارة.
- أميز بين المواد الموصلة والعازلة.
- أوضح أن المواد تختلف في توصيلها للحرارة.
- أفسر حدوث نسيم البر والبحر .
المفردات حول التوصيل الحراري :
- التوصيل الحراري Thermal Conduction
- الموصلات الحرارية Thermal Conductors
- العوازل الحرارية Insulators
- تيار الحمل Convection
- الإشعاع Radiation
- نسيم البر land breeze
- نسيم البحر Sea breeze
اختلاف قابلية المواد في توصيلها الحراري
أدوات النشاط: ساقين أحدهما من الحديد والآخر من النحاس، كرات صغيرة من الشمع ، مصدر حراري ، حاملين.
خطوات العمل :
- أخذ ساقين من الحديد والنحاس وألصق بهما كرات صغيرة من الشمع وعلى أبعاد متساوية .
- أجعل طرفي الساقين المعدنيين متقاربين وأسخنهما بوساطة مصدر حراري بحيث تصلهما الحرارة بالتساوي ، ماذا نلاحظ ؟
انتقال الحرارة بالحمل :
كيف يمكنك تسخين كل من جزيئات الهواء والماء النقي بعد أن عرفت أن كل منهما رديء التوصيل للحرارة ؟ وماذا يحدث لو وضعت كمية من الماء في كأس زجاجية وأضفت إليه قليلا من نشارة الخشب الناعمة، وسخنت الكأس الزجاجية بهدوء ؟ تلاحظ تحرك نشارة الخشب الناعمة نحو الأعلى من وسط الكأس وعندما تصل إلى أعلى الماء تهبط من الجوانب، وسبب ذلك يعود إلى أن الماء في قعر الكأس يسخن أولا ونتيجة لذلك يتمدد فتصبح كثافته أقل من كثافة الماء البارد فوقه لذلك يرتفع إلى الأعلى وفي الوقت نفسه يهبط الماء البارد إلى القعر من الجوانب .
إن الماء المسخن في القعر يرتفع إلى الأعلى حاملا معه الحرارة، أي انتقال الحرارة بتيارات الحمل و إن الحرارة قد انتقلت من الاسفل إلى الأعلى نتيجة حركة جزيئات الماء .
وهذه الحركة تسمى تيار الحمل وهو انتقال الطاقة الحرارية بوساطة حركة جزيئات السائل. وبالطريقة نفسها تماما يحدث الحمل في الهواء أو أي غاز، إذ تنتقل الحرارة نتيجة إنتقال جزيئات المادة نفسها التي تحمل معها الحرارة من موضع إلى آخر ولهذا السبب فأن طريقة الحمل تقتصر على الموائع ( سائل وغاز) فقط، اذ تكون جزيئاتها قابلة للحركة عبر مسافات كبيرة ولا تحدث طريقة الحمل في المواد الصلبة لأن جزيئاتها مقيدة الحركة في مواضعها .
أن تيارات الحمل يمكن ملاحظتها بسهولة عند حدوث حركة الرياح في مختلف المناطق على سطح الأرض ، وما تهوية الغرفة ونسيم البر والبحر إلا مثال على ذلك.
سؤال: لماذا توضع مكيفات الهواء إلى الأعلى قريبة من السقف ؟
الإشعاع :
كيف تصلك الحرارة حينما يسخن سلك المدفأة الكهربائية الموضوعة أمامك ؟ وكيف تصلك حرارة الشمس التي تبعد عن الأرض بما يقارب 150 مليون كيلومتر ؟ انها لاتصلنا عبرطريقتي التوصيل أو الحمل وذلك لخلو الفضاء الهائل الذي يفصل الأرض عن الشمس من الهواء، انما تنتقل حرارة الشمس خلال الفراغ بطريقة الإشعاع .
وفي الحقيقة أن الإشعاع الحراري يماثل الإشعاع الضوئي فكلاهما موجات كهرومغناطيسية ولهما نفس الخواص العامة المعروفة للضوء . لذلك يمكن أن نعرف الاشعاع بانه انتقال الطاقة على شكل موجات كهرومغناطيسية كالضوء المرئي أو الأشعة تحت الحمراء ، وبعكس التوصيل والحمل يمكن للاشعاع الحراري أن ينتقل في الفراغ وعبر جسيمات المواد الشفافة المختلفة وهو يمر فيها دون إحداث تغييرات ملموسة في درجات حرارتها .
سؤال: كيف تعمل المدفأة الحرارية على رفع درجة حرارة الغرفة في الأيام الباردة ؟
ما نسيم البحر والبر؟
هما ظاهرتان طبيعيتان تحدثان وتظهران بشكل واضح في المناطق القريبة من شواطىء البحر والسبب في حدوث ظاهرة نسيم البحر هو ان اشعة الشمس عند سقوطها على الارض (اليابسة ) فانها ترفع من درجة حرارة ارضية الساحل نهار أكثر من سطح الماء مما يؤدي إلى تسخين الهواء الملامس لسطح الأرض بصورة أسرع ، اذ يرتفع إلى الأعلى ولتخلخل الضغط يتحرك الهواء البارد الموجود فوق البحر باتجاه اليابسة ليحل محله ويكون هذا الهواء بارد يسمي نسيم البحر وهو هواء منعش كما موضح في الشكل .
أما في حالة نسيم البر فيحدث العكس اذ تنحجب أشعة الشمس في الليل فتبرد اليابسة أسرع من ماء البحر، عندها يرتفع الهواء الموجود فوق البحر للاعلى لانه هواء ساخن وقليل الكثافة فيتحرك الهواء من اليابسة باتجاه البحر، يسمى نسيم البر.
سؤال: كيف يحدث نسيم البر؟
اسئلة عن التوصيل الحراري
- ما طرائق انتقال الحرارة ؟
- كيف تنتقل الحرارة في السوائل والغازات؟
- لماذا يحدث نسيم البر ليلا ؟
- لماذا لا تصلنا حرارة الشمس بطريقتي التوصيل أو الحمل ؟
- عندما يسخن ماء إبريق الشاي القريب من المصدر الحراري وعند بلوغ درجة حرارته 100°C ولجميع أجزاء السائل تصبح كثافته أقل، ما سبب ذلك؟
- ما الذي يجعل المريض يشعر بان سماعة الطبيب باردة ؟
- علام تعتمد سرعة انسياب الحرارة في المواد؟
- ترتفع جزيئات الهواء الساخنة نحو الأعلى، بينما تتجه جزيئات الهواء الباردة نحو الأسفل؟ فسر ذلك .
- لماذا تنتقل الحرارة في الأجسام الصلبة الموصلة للحرارة بطريقة التوصيل ولا تنتقل بطريقة الحمل؟
- لا يحصل التوصيل الحراري في الغلاف الخارجي للأرض؟
إضافة تعليق
يجب عليك تسجيل الدخول او التسجيل لتستطيع اضافه تعليق .