الدرس ٢: انتقال الحرارة
تبدأ الصفحة بعرض أهداف الدرس وأهميته في حياتنا اليومية مثل التحكم بانتقال الحرارة في المنازل. ننتقل بعد ذلك إلى أولى طرائق انتقال الحرارة وهي التوصيل. لو تلامس جسمان مختلفان في درجة الحرارة، فإن الطاقة الحرارية تنتقل دائماً من الجسم الأساخن إلى الجسم الأبرد حتى يتساويا. يوضح الشكل ثلاثة كأساً من الماء تتبادل الحرارة، وتنتقل الطاقة هنا بالتلامس المباشر بين الجزيئات دون أن تنتقل المادة نفسها. عندما تلمس شيئاً بارداً كالثلج، تتصادم جزيئات يدك السريعة مع جزيئاته البطيئة فتنتقل الطاقة.
تنتقل الطاقة الحرارية دائما من الجسم الأسرع حرارة إلى الجسم الأبرد عبر ثلاث طرائق رئيسية: التوصيل الذي يحدث بتلامس الجزيئات مباشرة، والإشعاع عبر الموجات الكهرومغناطيسية دون الحاجة لمادة، والحمل الذي يتم عبر حركة السوائل والغازات نتيجة اختلاف الكثافة. تختلف المواد في قدرتها على نقل الحرارة؛ فبعضها موصلات جيدة كالمنطقة المعدنية في أواني الطهي، وبعضها عوازل تحافظ على درجات الحرارة كالصوف الصخري، بينما تحدد الحرارة النوعية مقدار الطاقة اللازمة لرفع درجة حرارة المادة. على سبيل المثال، عندما تضع يدك على مكعب من الثلج، تنتقل الحرارة من يدك الأدفأ إلى الثلج الأبارد بالتوصيل المباشر فتصطدم الجزيئات وتتغير درجات الحرارة.
الفكرة الأساسية
تنتقل الطاقة الحرارية دائما من الجسم الألسخن إلى الجسم الأبرد حتى تتساوى درجات الحرارتين، وتحدث هذه العملية عبر ثلاث طرائق أساسية هي التوصيل والإشعاع والحمل.
الشرح
تنتقل الطاقة الحرارية عبر التوصيل حين يتلامس جسمان متطابقان في درجات الحرارة؛ فتتصادم جزيئات المادة معا دون الحاجة لقطع مسافات طويلة، مما يجعل الانتقال أسرع في المواد الصلبة والسائلة مقارنة بالغازات لقرب جزيئاتها. أما الإشعاع فهو انتقال الطاقة على شكل موجات كهرومغناطيسية ويحدث عبر الفراغ والمواد المختلفة مثل حرارة الشمس التي تصل إلى الأرض وتصدر الأجسام الساخنة إشعاعات أكثر من الباردة. بينما يتم الحمل الحراري في السوائل والغازات عبر حركة المائع نفسه، حيث يصعد الساخن الأقل كثافة إلى أعلى ويهبط البارد الأكبر كثافة إلى أسفل مكونا تيارات الحمل الطبيعي أو القسري كاستخدام المروحة. وتختلف المواد في موصليتها؛ فالفلزات موصلات جيدة بسبب حرية إلكتروناتها، بينما تستخدم العوازل كالـصوف الصخري لتقليل انتقال الحرارة. ويعتمد مقدار التغير في درجة حرارة أي جسم على حرارته النوعية التي تمثل كمية الطاقة اللازمة لرفع درجة حرارة كيلوجرام واحد من المادة درجة سلسيوسية واحدة.
مثال محلول خطوة بخطوة
إذا احتجت لرفع درجة حرارة كيلوجرام واحد من الرمال و كيلوجرام واحد من الماء بمقدار درجة سلسيوسية واحدة، فإن الرمال تسخن أسرع بكثير من الماء لأن حرارتها النوعية أقل، بينما يحتاج الماء إلى طاقة حرارية أكبر بكثير لترتفع درجة حرارته. الخطوات لفهم ذلك: حدد المادتين، قارن بين قيم حرارتهما النوعية، استنتج أن المادة ذات الحرارة النوعية الأقل تكتسب وتفقد حرارتها بسرعة أكبر من ذات الحرارة النوعية الأعلى.
أخطاء شائعة
الظن بأن الحرارة تنتقل من الجسم الأبرد إلى الجسم الألسخن والصحيح أنها تنتقل دائما من الألسخن إلى الأبرد. الاعتقاد بأن الإشعاع يحتاج إلى وسط مادي للانتقال بينما ينتقل عبر الفراغ. الخلط بين الحمل الطبيعي والقسري حيث يعتمد الحمل القسري على قوة خارجية كالمروحة.
سؤالان للتدريب مع الإجابة
السؤال الأول: لماذا تكون بعض المواد كالـفلزات موصلات جيدة للحرارة بينما تكون مواد أخرى عوازل رديئة؟ الإجابة: لأن ذرات الفلزات لها إلكترونات حرة الحركة نسبيا تساعد على نقل الطاقة الحرارية بسرعة عبر التلامس، بينما تحتوي العوازل على فقاعات هوائية وتمنع انتقال الطاقة بسهولة. السؤال الثاني: لماذا يرتفع الماء الساخن إلى أعلى ويهبط الماء البارد إلى أسفل أثناء التسخين؟ الإجابة: بسبب اختلاف الكثافة؛ حيث يقل الماء الساخن كثافة فيصعد إلى أعلى، بينما يبقى الماء البارد الأكثر كثافة في الأسفل ليهبط مكانه مسببا تيارات الحمل الحراري.