الحرارة

جامعة بابل - كلية التربية الاساسية – قسم العلوم – محاضرات الحرارة - للمرحلة الثانية
للعام الدراسي 2017- 2018 م . م سفير عبد الكريم عبد الرحيم الساعاتي
المحاضرة الثالثة
انواع انتقال الحرارة :
الاشعاع الحراري:
يعرف الاشعاع الحراري على انه طريقة انتقال الحرارة من مكان ساخن الى مكان بارد دون ان يكون للوسط اي دور , يمكن ان يحصل ذلك في الفراغ على عكس التوصيل والحمل, يستخدم مصطلح الاشعاع كثيرا للاشارة للطاقة الحرارية المشعة (energy radiant heat) ,حيث ياخذ الاشعاع شكل موجات كهرومغناطيسية (Electromagnetic Waves ) والتي تشمل خصوصا الاشعة تحت الحمراء ( Infrared radiation )>
يعتمد انتقال الحرارة في عمليتي التوصيل و الحمل على حركة الجسيمات الساخنة ( ايصال الحرارة عن طريق الحركة الاهتزازية ) ,في حالة الاشعاع يمكن ان تنتقل الحرارة خلال الفراغ الذي لا يحوي جسيمات وذلك بان تتولد في الذرات او الجزيئات المتحركة داخل الجسم موجات من الطاقة الاشعاعية تسمى الاشعة تحت الحمراء .
تشع الاجسام الساخنة كمية من الاشعة تحت الحمراء اكبر من الكمية التي تشعها الاجسام الباردة .تنتقل الاشعة تحت الحمراء خلال الفضاء بطريقة مشابهه جدا لانتقال موجات الماء على سطح بركة , عندما تصدم الطاقة الاشعاعية جسما ما فانها تزيد من سرعة ذراته او جزيئاته . تنتقل الطاقة من الشمس الى الارض خلال الفضاء بالاشعاع وتسخن هذه الاشعة سطح الارض عندما تصله .
الاشعاع الحراري ماهو الا طاقة كهرومغناطيسية تنبعث من الاجسام الساخنة وتنتقل بسرعة الضوء خلال الفضاء فينعكس جزء من هذه الطاقة ويمتص الجزء الاخر من قبل الاجسام التي تسقط عليها , ان امتصاص الاشعة الكهرومغناطيسية يؤدي الى تحولها الى طاقة حرارية وسترتفع حرارة الجسم .
لو فرضنا ان جزء الطاقة التي تمتص من قبل الجسم تساوي (a) والجزء الذي ينعكس يساوي ( r) فان :
a + r = 1

في حالة الاتزان الحراري تبقى درجة حرارة الجسم ثابتة . في هذه الحالة فان الجسم يشع كمية من الطاقة الحرارية مساوية الى كمية الطاقة الحرارية الممتصة , اي ان :
a = e
حيث a قابلية الامتصاص و e قابلية الاشعاع
تعتمد كل من القابلية الاشعاعية و القابلية الامتصاصية على طبيعة الجسم وعلى طول الموجة الكهرومغناطيسية الساقطة . يطلق على الجسم الذي يمتص جميع الاشعة الساقطة بالجسم الاسود ( black body) .ان الجسم الاسود مشع جيد للحرارة مثلما هو ماص جيد لها .
العوامل المؤثرة في انتقال الحرارة بالاشعاع :
طول موجة الاشعاع الساقطة .
نوع المادة التي يسقط عليها الاشعاع .
خشونة السطح .
نوع الطلاء الذي يغطي السطح ولونه.
سمك طبقة الطلاء والمادة التي تغطي السطح.
قانون ستيفان بولتزمان:
ينص قانون ستيفان بولتزمان على ان معدل الطاقة المنبعثة E ( T ) من الجسم الاسود لكل وحدة مساحة تتناسب طرديا مع القوة الرابعة لدرجة حرارة الجسم مقاسة بالكلفن :
E ( T )? T4
E ( T ) = ? T4
حيث ان (? ) ثابت بولتزمان : K4 watt/ m2 = 5.67* 108 ?
يمكن كتابة قانون ستيفان بولتزمان للجسم غير الاسود بالصيغة التالية :
E ( T ) = ea T4

اما كمية الحرارة المنبعثة ? Q من الجسم الساخن الى الجسم البارد يمكن كتابتها كالاتي :
? Q = ? A t T4
? Q= ? A t (T41 - T40)
حيث ان :
A= المساحة , t= الزمن
الحمل الحراري :
يعرف الحمل على انه طريقة انتقال الحرارة من مكان الى اخر خلال السوائل و الغازات وذلك بحركة جزيئات مادة الوسط من مكان الى اخر , عكس حركة جزيئات المادة الصلبة خلال عملية التوصيل الحراري و التي لا تتضمن حركة الجزيئات من كان الى اخر , اذ تنتقل الحرارة بتصادم جزيء مع جزيء اخر .
من الامثلة على انتقال الحرارة بالحمل التدفئة في الغرف اثناء الشتاء بواسطة المدافئ او اجهزة تسخين الماء , اذا تمتص جزيئات الهواء او السائل كمية من الحرارة من الجزء الساخن فيتمدد الهواء او السائل اي تقل كثافته فينتقل الى الجهة الاخرى ( الى الاعلى ) لتمتزج هذه الجزيئات مع جزيئات الهواء او السائل الاقل طاقة حرارية وتكسبها كمية من الحرارة التي امتصتها .
ان طريقة الحمل الحراري هي اساس انتقال الحرارة في الاجسام المائعة , مبدا عمل الحمل الحراري يعتمد على الجاذبية الارضية حيث ان كل فرق في درجات حرارة السائل او الغاز سيغير من تركيزه فترتفع الاجزاء الساخنة الى الاعلى وتحل محلها الاجزاء الباردة حسب قاعدة ارخميدس وينتج عن ذلك عملية التبادل الحراري .
ان انتقال ( غاز او سائل ) من المطقة ذات الدرجة الحرارية العالية الى المنطقة ذات الدرجة الحرارية الواطئة ( الاقل ) يولد تيارا يسمى تيار الحمل الحراري والذي يعرف على انه كمية الحرارة المكتسبة او المفقودة من قبل السطح الملامس للغاز او السائل خلال وحدة الزمن . فمثلا عندما نسخن الماء على النار تتكون داخل الاناء تيارات الحمل فتصعد الكمية المائية الساخنة الى الاعلى ويحل محلها الماء البارد , ولا يصعد هذا الاخير الا عندما تصبح درجة حرارته اعلى من الماء الساخن الذي فوقه , وهكذا حتى يصل الماء الى درجة الغليان .
انواع الحمل الحراري :
تقسم انواع الحمل الحراري اعتمادا على الطريقة التي يتولد بها تيار الحمل وهما :
1_ تيار الحمل الطبيعي : ناتج عن تغير كثافة الوسط .
2_ تيار الحمل الاضطراري : ناتج عن تاثير اصطناعي كاستخدام المروحة او غيرها .
تعد طريقة الحمل من الطرق الفعالة لانتقال الحرارة وتشكيل تيارات الحمل الهوائية في المناطق الساحلية و الجبلية وعند خط الاستواء والقطبين .
ان دراسة الحمل بطريقة المعادلات الرياضية ليس شيئا سهلا وذلك يرجع الى ان فقدان واكتساب الحرارة من الاجسام الملامسة للمائع عملية معقدة رياضيا وتعتمد على كثير من العوامل مثل شكل السطح وكثافة المائع ولزوجتة وعوامل اخرى .
(h=H)?(A ? T)
حيث
h معامل الحمل الحراري
H تيار الحمل الحراري
A المساحة
T? الفرق بين درجة الحرارة السطح و المائع
العوامل المؤثرة في معدل الطاقة المنتقلة بالحمل :
1_ الفرق في درجة الحرارة
2- الخصائص الفيزيائية للمائع
3- نوع حركة المائع
4- شكل الجسم الصلب
المساحة المشتركة بين السطح والمائع