محمد يامين
تحدّثنا في مقالِنا الأول ( انتقال الحرارة #1: نبذة وتعريف ) من سلسلة انتقالِ الحرارة عن الطرائق التي تنتقلُ فيها الحرارة بشكل عام، في هذا الجزء سنتحدّث بالتّفصيل عن عملية انتقال الحرارة بالتوصيل ( Conduction)، والتي تحدُث في المواد الصلبة وبينها.
الانتقال بالتوصيل
تنتقلُ الحرارةُ في الأجسام بالترتيب من الأعلى حرارة إلى الأقل؛ أي أنّنا نحتاجُ إلى فرقِ حرارةٍ بينَ منطقتينِ أو جِسمَين، بغضِّ النظرِ عن قيمةِ هذا الفرق.
وتفصيلًا لعملية الانتقالِ بالتوصيل، ندرسُ أوّلًا قُدرةَ المادّةِ على نقلِ الحرارة، والّتي تَعتَمِدُ بكلّ بساطة على اكتسابِ ذرّاتِها للحرارة واهتزازِها؛ فعِندما تكتسبُ ذرّاتُ المادة طاقةً حراريّة، تُصبحُ مُثارةً وتهتزّ مؤدّيةً إلى إطلاقِ الإلكترونات الموجودة في مداراتِها الأخيرة بشكلٍ حُرّ للحركة خلال المادة. وتنتقلُ الاهتزازاتُ إلى الذرات المجاورة لها، وهو ما ينقلُ الحرارة عبر المادة.
تعتمدُ قدرة المادة على نقلِ الحرارة على ما يُسمى بمعاملِ الموصلية الحرارية للمادة (Therma Conductivity)، ويُرمزُ له عادةً بالحرفِ K.
وكُلّما ارتفعَ مُعامل الموصلية، زادَت قدرةُ المادة على نقلِ الحرارة، وخُذ على ذلكَ مثالًا عند درجة حرارة 25 سيلسيوس: الخشب (K=0.048) والحديد بنسبةِ كربون 1% (K=43).
ولنوضّحَ الصورة أكثر عن كميّة الحرارة المنقولة بالتوصيل، لنفترض وجودَ طرفين تنتقلُ الحرارةُ بينهما باتجاهٍ واحد، من الأبرد إلى الأسخن (لنفترض جدارًا مثلًا):
حيث:
- Q: كميّة الحرارة المنقولة بالتوصيل.
- k: مُعامل الموصلية الحرارية.
- A: مساحة السطح.
- △T: فرق الحرارة بين الطرفين.
- L: المسافة بينَ الطرفين
وبتفسيرِ المعادلة أكثر وتحليل المُعطيات والمُخرجات، نستطيع تصميم التطبيق الهندسي المطلوب مع مراعاة موضوع الحرارة. إلى جانب دراسة تأثير الحِمل الحراري والإشعاع الحراري.
كما يُمكنُ استخدامُ مفهومِ المقاومة الحراريّة لحلّ المسائلِ الطويلة والمُرتبطة بأكثرِ من نوعِ لانتقالٍ للحرارة وأكثر من مادة (وهيَ الأكثر شيوعًا بكونها تطبيقًا واقعيًّا).
إذْ إنّ المُقاومة الحراريّة تساوي مقلوب العوامِل الموجودة في المُعادلة السابقة مضروبةً بفرقِ درجةِ الحرارة.
فتكونُ المقاومة الحراريّة في حالة التوصيل بالشكل الآتي:
وتُحسَبُ كميّةُ الحرارة المنقولة من خلال المُعادلة:
وبالطّبع، تتغيّرُ الرموزُ وقيمُ المتغيّرات بتغيّر الشّكل المطلوب الحساب له، لكن فضّلنا في هذه السلسلة أن نُعطي فكرةً عُموميّة عن الموضوع.
المصدر:
Fundamentals of heat and mass transfer By theodore bergman, adrienne lavine, frank incropera and david dewitt.
- إعداد: محمد يامين.
- تدقيق لغوي: توفيق صالح.
