التوصيل الحراري: التعريف والوحدات والمعادلة والمثال

عندما تمشي على سجادتك في يوم شتاء بارد ، لا تشعر بالبرد في قدميك. ومع ذلك ، بمجرد أن تخطو على أرضية البلاط في حمامك ، تشعر قدميك بالبرودة على الفور. هل الطابقان مختلفان إلى حد ما في درجات حرارة؟

من المؤكد أنك لن تتوقع منهم أن يكونوا كذلك ، بالنظر إلى ما تعرفه عن التوازن الحراري. فلماذا يشعرون بالاختلاف؟ السبب يتعلق بالتوصيل الحراري.

الحرارة هي الطاقة التي تنتقل بين مادتين بسبب اختلاف درجات الحرارة. تتدفق الحرارة من الجسم ذي درجة الحرارة المرتفعة إلى الجسم ذي درجة الحرارة المنخفضة حتى يتحقق التوازن الحراري. تشمل طرق نقل الحرارة التوصيل الحراري والحمل الحراري والإشعاع.

حراريالتوصيلهو الوضع الذي تمت مناقشته بمزيد من التفصيل لاحقًا في هذه المقالة ، ولكنه باختصار هو نقل الحرارة عبر الاتصال المباشر. تنقل الجزيئات الموجودة في الجسم الأكثر دفئًا طاقتها إلى الجزيئات الموجودة في الجسم الأكثر برودة عبر الاصطدامات حتى يصبح كلا الجسمين بنفس درجة الحرارة.

فيالحمل، تنتقل الحرارة بالحركة. تخيل الهواء في منزلك في يوم شتاء بارد. هل لاحظت أن معظم السخانات توجد عادة بالقرب من الأرض؟ عندما تقوم السخانات بتسخين الهواء ، يتمدد هذا الهواء. عندما يتمدد ، يصبح أقل كثافة ، وبالتالي يرتفع فوق الهواء الأكثر برودة. ثم يكون الهواء البارد بالقرب من المدفأة ، لذلك يمكن أن يسخن الهواء ، ويتمدد ، وهكذا. تخلق هذه الدورة تيارات الحمل وتؤدي إلى تشتت الطاقة الحرارية عبر الهواء في الغرفة عن طريق خلط الهواء أثناء تسخينه.

الذرات والجزيئات تطلق الكهرومغناطيسيةإشعاع، وهو شكل من أشكال الطاقة يمكن أن ينتقل عبر فراغ الفضاء. هذه هي الطريقة التي تصل بها الطاقة الحرارية من النار الدافئة ، وكيف تشق الطاقة الحرارية من الشمس طريقها إلى الأرض.

الموصلية الحرارية هي مقياس لمدى سهولة انتقال الطاقة الحرارية عبر مادة ما أو مدى جودة نقل هذه المادة للحرارة. يعتمد مدى جودة التوصيل الحراري على الخصائص الحرارية للمادة.

ضع في اعتبارك أرضية البلاط في المثال في البداية. إنه موصل أفضل من السجادة. يمكنك أن تقول فقط من خلال الشعور. عندما تكون قدميك على أرضية البلاط ، فإن الحرارة تتركك أسرع بكثير مما تفعل عندما تكون على السجادة. هذا لأن البلاط يسمح للحرارة من قدميك بالتحرك خلالها بسرعة أكبر.

تمامًا مثل السعة الحرارية المحددة والحرارة الكامنة ، فإن الموصلية هي خاصية خاصة بالمادة الموجودة في متناول اليد. يُشار إليه بالحرف اليوناني κ (كابا) وعادة ما يتم البحث عنه في الجدول. وحدات الموصلية في النظام الدولي للوحدات هي واط / متر × كلفن (W / mK).

تعتبر الأجسام ذات الموصلية الحرارية العالية موصلات جيدة بينما الكائنات ذات الموصلية الحرارية المنخفضة هي عوازل جيدة. ويرد هنا جدول لقيم التوصيل الحراري.

كما ترى ، الأشياء التي غالبًا ما تشعر "بالبرودة" عند لمسها ، مثل المعادن ، هي موصلات جيدة. لاحظ أيضًا مدى جودة هواء العازل الحراري. هذا هو السبب في أن السترات الكبيرة المنفوشة تبقيك دافئًا في الشتاء: فهي تحبس طبقة كبيرة من الهواء من حولك. يعتبر الستايروفوم أيضًا عازلًا ممتازًا ، ولهذا يتم استخدامه للحفاظ على الأطعمة والمشروبات دافئة أو باردة.

عندما تنتشر الحرارة عبر المادة ، يوجد تدرج في درجة الحرارة عبر المادة من الطرف الأقرب إلى مصدر الحرارة إلى النهاية الأبعد عنها.

عندما تتحرك الحرارة عبر المادة وقبل تحقيق التوازن ، تكون النهاية أقرب إلى الحرارة سيكون المصدر هو الأكثر دفئًا ، وستنخفض درجة الحرارة خطيًا إلى أدنى مستوى لها على المدى البعيد نهاية. ومع اقتراب المادة من التوازن ، فإن هذا التدرج يتم تسويته.

إن مدى قدرة الحرارة على التحرك على الرغم من أن جسمًا ما لا يعتمد فقط على موصلية ذلك الجسم ، ولكن أيضًا على حجم وشكل الجسم. تخيل قضيبًا معدنيًا طويلًا ينقل الحرارة من طرف إلى آخر. تعتمد كمية الطاقة الحرارية التي يمكن أن تمر على الرغم من كل وحدة زمنية على طول القضيب وكذلك حجمه حول القضيب. هذا هو المكان الذي تلعب فيه فكرة التوصيل الحراري.

يتم الحصول على التوصيل الحراري لمادة ، مثل قضيب الحديد ، من خلال الصيغة:

أينأهي منطقة المقطع العرضي للمادة ،إلهو الطول و هو الموصلية الحرارية. وحدات المواصلة في النظام الدولي للوحدات هي W / K (واط لكل كلفن). هذا يسمح بتفسير κ على أنه التوصيل الحراري لوحدة المساحة لكل وحدة سمك.

على العكس من ذلك ، يتم إعطاء المقاومة الحرارية من خلال:

هذا هو ببساطة عكس الموصلية. المقاومة هي مقياس لمدى مقاومة الطاقة الحرارية المارة. يتم تعريف المقاومة الحرارية أيضًا على أنها 1 /.

معدل الطاقة الحراريةسيتحرك من خلال الطولإلمن المادة عندما يكون اختلاف درجة الحرارة بين الأطرافΔ تتعطى بالصيغة:

يمكن كتابة هذا أيضًا على النحو التالي:

لاحظ أن هذا مشابه بشكل مباشر لما يحدث مع التيار في التوصيل الكهربائي. في التوصيل الكهربائي ، يكون التيار مساويًا للجهد مقسومًا على المقاومة الكهربائية. الموصلية الكهربائية والتيار الكهربائي مماثلة للتوصيل الحراري والتيار ، الجهد مشابه لاختلاف درجة الحرارة والمقاومة الكهربائية مماثلة للحرارة مقاومة. كل نفس الرياضيات تنطبق.

​مثال:الكوخ الإسكاني نصف الكروي المصنوع من الجليد يبلغ نصف قطره الداخلي 3 أمتار وسمكه 0.4 متر. تفلت الحرارة من كوخ الإسكيمو بمعدل يعتمد على التوصيل الحراري للجليد ، κ = 1.6 واط / مللي كلفن. بأي معدل يجب أن يتم توليد الطاقة الحرارية بشكل مستمر داخل كوخ الإسكيمو من أجل الحفاظ على درجة حرارة 5 درجات مئوية داخل كوخ الإسكيمو عندما تكون -30 درجة مئوية في الخارج؟

​حل:المعادلة الصحيحة لاستخدامها في هذه الحالة هي المعادلة من قبل:

لقد أعطيت κ ،Δ تهو مجرد الاختلاف في نطاق درجة الحرارة بين الداخل والخارج وإلهو سمك الجليد.أاصعب قليلا. لايجادأتحتاج إلى إيجاد مساحة سطح نصف الكرة الأرضية. سيكون هذا نصف مساحة سطح الكرة ، وهو 4πص​². لص، يمكنك اختيار متوسط ​​نصف القطر (نصف قطر داخل كوخ الإسكيمو + نصف سمك الجليد = 3.2 م) ، وبالتالي فإن المنطقة هي:

ومن ثم ، فإن إدخال كل شيء في المعادلة يعطي:

​طلب:المشتت الحراري هو جهاز ينقل الحرارة من الأجسام ذات درجات الحرارة العالية إلى الهواء أو إلى سائل يحمل الطاقة الحرارية الزائدة بعيدًا. تحتوي معظم أجهزة الكمبيوتر على مشتت حراري متصل بوحدة المعالجة المركزية.

يتكون المشتت الحراري من المعدن ، الذي ينقل الحرارة بعيدًا عن وحدة المعالجة المركزية ، ثم تقوم مروحة صغيرة بتدوير الهواء حول المشتت الحراري ، مما يتسبب في تشتت الطاقة الحرارية. إذا تم القيام به بشكل صحيح ، فإن المشتت الحراري يسمح لوحدة المعالجة المركزية بالعمل في حالة مستقرة. يعتمد مدى جودة عمل المشتت الحراري على موصلية المعدن ومساحة السطح والسماكة وتدرج درجة الحرارة التي يمكن الحفاظ عليها.