الحمل الحراري: ما هو وكيف يعمل؟

الحرارة ، في أبسط المستويات الأساسية ، هي الطاقة الحركية للذرات والجزيئات. يؤثر الحمل الحراري على كل شيء من تدفئة منزلك إلى عملية نقل الحرارة داخل الشمس.

عندما يتم تسخين مادة صلبة أو سائلة أو غازية ، فإن الذرات أو الجزيئات المكونة لها تهتز أكثر فأكثر ؛ تتطلب هذه الاهتزازات المتزايدة حجمًا أكبر لكل ذرة / جزيء.

في الغاز ، لا يتم التعبير عن هذا على أنه "اهتزاز" ولكن على أنه زيادة سرعة الجسيمات ، وبالتالي زيادة الضغط على حاوية الغاز. لهذا السبب معظم المواد وسعت كما يتم تسخينها. يحدث هذا إلى أقصى حد في الغازات ، ولكن بدرجة أقل في السوائل والمواد الصلبة أيضًا.

عندما يتمدد شيء ما ، يصبح أقل كثافة ؛ هناك عدد أقل من الجسيمات ، وبالتالي كتلة أقل ، لكل وحدة حجم مما كانت عليه من قبل. ولكن في السوائل والغازات (السوائل) ، سترتفع منطقة ذات كثافة منخفضة وتطفو فوق المناطق عالية الكثافة بسبب تأثير الجاذبية. هذان المفهومان ، أن الحرارة تسبب انخفاض في الكثافة وأن السوائل ترتفع وتنخفض وفقًا للكثافة ، تتحد لتكوين ظاهرة انتقال الحرارة من الحمل.

الحمل الحراري هو طريقة لنقل الطاقة الحرارية حيث يحدث انتقال الحرارة عبر حركة السوائل. تحدث حركة السوائل هذه بسبب الاختلاف في الكثافة بين المناطق الأكثر حرارة في السائل والمناطق الأكثر برودة. تسمى هذه الحركات

يكون هذا الاختلاف في درجة الحرارة صارخًا بشكل خاص عندما يكون هناك مصدر حرارة على جانب واحد من السائل ، مثل المدفأة بالقرب من أرضية الغرفة. يتحرك الهواء الدافئ في القاع باستمرار لأعلى ، بينما يتحرك الهواء البارد لأسفل ليتم تسخينه ثم يتحرك لاحقًا أيضًا لأعلى. تسبب حركة الهواء تيارات دائرية تستمر ما لم يصل الهواء إلى درجة حرارة التوازن ؛ كوب من الماء في درجة حرارة الغرفة لن يكون له تيارات حمل بشكل عام ، بينما كوب الماء الذي يحتوي على جليد سيكون به تيارات حمل.

غالبًا ما يوصف الحمل الحراري على أنه مزيج من عمليتين فيزيائيتين: التأفق والانتشار. التأفق هو نقل المادة بالحركة السائبة ، مثل حركة طمي مجرى النهر بتدفق النهر. تعريف هو نقل المادة بحركة الجسيمات من منطقة عالية التركيز إلى منطقة ذات تركيز منخفض ، مثل حركة جسيمات الصبغة المنتشرة عبر كوب من الماء.

نظرًا لأن الحمل الحراري ينقل المادة الأكثر سخونة إلى أعلى والمادة الأكثر برودة إلى الأسفل ، فإنه يقوم بذلك عن طريق تحريك المادة بكميات كبيرة (التأفق) وفي طريقة الجسيمات (الانتشار).

لا يمكن أن يحدث الحمل الحراري ، بحكم التعريف ، في المواد الصلبة بسبب عدم القدرة على خلق تدفق مائع في المادة الصلبة (لا يمكن للجسيمات أن تتحرك بالنسبة لبعضها البعض ، ولكن يمكنها أن تهتز فقط في مكانها). يحدث انتقال الحرارة في المواد الصلبة بدلاً من ذلك عن طريق التوصيل ، أو نقل الطاقة الاهتزازية من ذرة أو جزيء في بلورة صلبة إلى جيرانها. هناك بعض الاستثناءات لهذا في المواد الصلبة اللينة حيث يمكن للجسيمات أن تتحرك بعد بعضها البعض.

يمكن أن يساعدك وضع الحمل في الاعتبار على تدفئة منزلك أو تبريده بشكل أكثر كفاءة. نظرًا لأن الهواء الساخن يميل إلى الارتفاع ، ويميل الهواء البارد إلى الغرق ، فإنه يساعد على وضع السخانات بالقرب من الأرض ومكيفات الهواء في مكان أعلى.

مراوح السقف يمكن أن تعمل عادة في كلا الاتجاهين: إما نفخ الهواء من أعلى ، أو نفخ الهواء من الأسفل. عادة ما يكون نفخ الهواء مفيدًا في الصيف حتى تشعر بأن نسيم الحمل الحراري يبرد بشرتك ؛ يعد سحب الهواء مفيدًا في فصل الشتاء لأنه يساعد على دفع الهواء الساخن العالي إلى الأسفل وإلى الخارج باتجاه الجدران ، دون أن ينفخ عليك مباشرة.

عندما يبرد الماء ، يتقلص ويصبح أكثر كثافة مثل معظم المواد الأخرى. ومع ذلك ، عندما يبرد إلى حوالي 4 درجات مئوية ، فإنه يبدأ في الواقع في التوسع قليلاً. الماء فريد إلى حد ما من حيث أن شكله الصلب ، الجليد ، أقل كثافة من شكله السائل. لذلك على الرغم من أنها تصبح أكثر كثافة بشكل عام عندما تبرد ، فإن هذا الاتجاه ينعكس عند نقطة معينة ، ويبدأ في التوسع حتى نقطة التجمد عند 0 درجة مئوية. هذا له تأثير على كيفية عمل الحمل الحراري في بحيرة متجمدة.

عندما تبرد المياه في البحيرة ، فإنها تغرق مع ارتفاع المياه الأكثر دفئًا ولكن فقط حتى تصل درجة حرارة البحيرة بأكملها إلى 4 درجات مئوية. عند هذه النقطة ينعكس الحمل الحراري: الماء الأكثر برودة من 4 درجات مئوية يكون أقل كثافة منه الماء الأكثر دفئًا ، أي أن الجزء العلوي من البحيرة يصبح أكثر برودة من القاع والجليد نماذج. هذا هو السبب في تجمد البحيرات في الأعلى أولاً.

تخضع الشمس (مثل معظم النجوم) للحمل الحراري الداخلي ببلازما أكثر سخونة وبلازما أكثر برودة. داخل منطقة الحمل الحراري للشمس ، والتي تمتد إلى الداخل من سطحها الخارجي ، يتم نقل الطاقة الحرارية من الداخل الشمسي الساخن إلى المناطق الخارجية الأكثر برودة عبر التيارات الحرارية.

هذا يصنع "خلايا الحمل الحراري، "وهي البقع الداكنة والخفيفة التي يمكنك رؤيتها على سطح الشمس. البقع الضوئية عبارة عن خلايا حمل حراري للبلازما الساخنة ظهرت للتو من الداخل ؛ البقع الداكنة عبارة عن خلايا بلازما حرارية بردت وسرعان ما تتراجع عبر منطقة الحمل الحراري.

تسمى هذه البقع الداكنة والخفيفة أحيانًا بحبيبات الطاقة الشمسية. يبلغ متوسط ​​قطرها حوالي 1000 كيلومتر (حوالي طول ولاية كاليفورنيا) وتبقى على السطح لحوالي ثمانية إلى 20 دقيقة فقط. في أي وقت ، يحتوي سطح الشمس على حوالي أربعة ملايين حبيبة!

الحمل الحراري مهم للغاية في الأرصاد الجوية أو دراسة الطقس. إن تدفق الهواء الدافئ والبارد عبر الغلاف الجوي هو ما يخلق أشكالًا مختلفة من السحب ، فضلاً عن العواصف الرعدية والأعاصير والجبهات الجوية.

بعض أفران قادرون على الخبز بالحمل الحراري. تستخدم الأفران الحرارية المراوح ونظام العادم الذي يعمل على تدوير الهواء داخل الفرن أثناء الخبز ، مما يؤدي إلى نفخ الهواء الساخن مباشرة عبر الطعام. هذا يسمح للطعام بالطهي بشكل أسرع وبشكل متساوٍ أكثر مما لو تم وضعه بالقرب من عناصر تسخين الفرن. كما أنه يجعل الجزء الداخلي للفرن أكثر جفافاً وأقل رطوبة ، وهو ما يمكن أن يكون أفضل لتحمير الطعام.

ينتج المجال المغناطيسي للأرض عن تيارات الحمل في قلبها الخارجي. يوجد في مركز الأرض نواة داخلية صلبة ، محاطة بنواة خارجية سائلة تتكون في الغالب من الحديد والنيكل. كلا هذين المعدنين موصلات جيدة للكهرباء. تولد التيارات الحرارية في هذه الطبقة السائلة تيارات كهربائية داخل المعدن السائل ، والتي تخلق مجالات مغناطيسية ؛ مجموع هذه المجالات المغناطيسية هو المجال المغناطيسي للأرض ، والذي يوجه جميع البوصلات إلى القطب الشمالي ويحمي الأرض من الإشعاع الكوني.