lec-8

طرق انتقال الحرارة
اولا : طريقة التوصيل
اذا اخذنا قضيبا معدنيا وسخنا احد طرفيه فان الجزيئات في هذا الطرف تكتسب طاقة حركية عالية فتزداد سعة اهتزازها و نتيجة لذلك تصطدم هذه الجزيئات مع الجزيئات المجاورة لها و الابعد منها فتنتقل اليها بعض الطاقة و هذه بدورها تصطدم مع الجزيئات التي تليها فتكسبها طاقة اضافية و هكذا تستمر العملية و تنتقل الطاقة الحرارية من الطرف الساخن إلى الطرف ذو الدرجة الحرارية الاقل و يلاحظ في هذه العملية ان الطاقة الحركية لجزيئات المادة هي التي تنتقل من جزء إلى آخر دون ان تنتقل الجزيئات من مواقعها وتسمى هذه العملية بالتوصيل الحراري , وهي تحدث في جميع المواد الصلبة و تمتاز المعادن بشكل خاص بكفاءتها العالية بالتوصيل الحراري و تلعب الالكترونات الحرة في المعادن دورا كبيرا في التوصيل الحراري و المعدن الموصل للكهربائية بصورة جيدة يكون موصل جيد للحرارة.






الشكل يمثل قضيب طوله L ومساحة مقطعه A واتجاه انتقال الطاقة من اليسار إلى اليمين. نفرض ان جانبي القضيب مغطى بمادة عازلة حيث لا يحدث أي انتقال للحرارة من خلال الجوانب. في هذه التجربة معدل انتقال الحرارة خلال القضيب المعدني تتناسب مع مساحة مقطعه ومع الفرق بين درجات الحرارة (T1 – T2) و عكسيا مع الطول L فان معدل انتقال الحرارة لوحدة الزمن يكون :-






حيث ان k تمثل التوصيلية الحرارية للمادة وقيمتها تعتمد على نوع المادة حيث كلما كانت المادة موصلة جيدة تكون قيمة k عالية و بالعكس فان للمادة العازلة تكون قيمة K لها صغيرة بينما المادة العازلة بصور تامة تكون قيمة k لها تساوي صفر. H تمثل مقدار الحرارة لوحدة الزمن و تسمى التيار الحراري ووحدته جول\ثانية أو الواط.
الكمية تمثل الفرق بين درجات الحرارة لوحة الطول و تسمى الانحدار الحراري.

ثانيا : طريقة الحمل
الحمل عملية نقل الحرارة من مكان إلى آخر بحركة جزيئات مادة الوسط كما يحدث بانتقال الهواء.
ان كمية الحرارة التي يفقدها أو يمتصها سطح ما في درجة حرارة معينة ملامس لسطح مائع في درجة حرارة اخرى تعتمد على عوامل عدة :-
1- كون السطح مستوي أو منحني
2- كون السطح افقي أو عمودي
3- كون المائع الملامس للسطح سائل أو غاز
4- الكثافة , اللزوجة , السعة الحرارية , التوصيل الحراري للمائع
5- سرعة المائع فيما اذا كانت قليلة أو عالية
6- حصول تبخر أو تكاثف
ويعرف معامل الحمل h من المعادلة:-
H= h A ?T
حيث A تمثل المساحة السطحية
?T الفرق بدرجات الحرارة بين سطح الجدار و المائع الاساسي
وحدة h Jsec-1m-2Co-1

ثالثا : طريقة الإشعاع
يقصد بالإشعاع الانبعاث المستمر للطاقة من سطوح الاجسام المختلفة بأمواج كهرومغناطيسية و تتمثل الامواج الكهرومغناطيسية بأمواج الراديو , الامواج تحت الحمراء , الضوء المرئي , الامواج فوق البنفسجية , الأشعة السينية,......
وهي تختلف عن بعضها البعض بطول الموجة ولكنها تسير بسرعة واحدة هي سرعة الضوء و عند سقوطها على الاجسام المعتمة ينعكس جزء منها ويمتص الباقي و يتحول إلى حرارة و تعتمد شدة الإشعاع بصورة رئيسية على حرارة الجسم المشع.
لقد اثبتت التجارب ان معدل طاقة الإشعاع من السطح تعتمد على القوة الرابعة لدرجة حرارة الجسم و على المساحة السطحية A بالإضافة على انها تعتمد على طبيعة السطح ( خشن أو املس ) و هذا الاعتماد يوصف بالمقدار e الاشعاعية وتتراوح قيمة e مابين الصفر و الواحد وتعتبرe للنجوم 1 .
اذن التيار الحراري المشع من سطح مساحته A و اشعاعيته e في درجة حرارة مطلقة T يعطى بالعلاقة :-
H=Ae?T4
حيث ? تمثل ثابت ستيفان- بولتزمان =5.67×10-8W/m2.K4
وهذه العلاقة تدعى بقانون ستيفان- بولتزمان (كمية الحرارة المنبعثة أو المشعة تعتمد كليا على الاس الرابع لدرجة الحرارة المطلقة)

المشع الكامل (الجسم الاسود)
الطاقة المنبعثة من الاجسام الصلبة أو السائلة ليست واحدة لجميع المواد التي درجة حرارتها واحدة رغم ان الامواج التي بداخلها واحدة وذلك لان الطاقة المشعة تعتمد على طبيعة السطح
أ‌- سطح عاكس جيد لذا فهو رديء الامتصاص و رديء الإشعاع ( الانبعاث)




ب‌- سطح رديء العكس جيد الامتصاص وجيد الانبعاث




ج- السطح الاسود الكامل كل الطاقة الاشعاعية الساقطة علية من الخارج تمر خلاله رغم ان الجسم الاسود لا يعكس طاقة لكنة يشع ضوءا مرئيا عندما تصبح درجة حرارته عالية و يظهر بشكل احمر ساخن أو ابيض ساخن.







H= h A ?T
A= 2 ? r L = 2*3.14*0.5*2=6.3m2

H = 20*6.3*(100 – 25) = 9450 W




مثال:(H.W.)
نجم مساحته السطحية 100km2 ودرجة حرارة سطحه K 104، ما معدل طاقة اشعاعه الجديدة إذا قَلّت مساحته إلى الربع وتضاعفت درجة حرارته السطحية ؟