أهداف التعلم

• أن يعدّد الطالب طرق انتقال الحرارة الثلاث ويميّز بينها.
• أن يفسّر الطالب آلية التوصيل الحراري على المستوى الجزيئي.
• أن يوضّح الطالب مفهوم تيارات الحمل الحراري وكيفية نشوئها.
• أن يفرّق الطالب بين الإشعاع الحراري والطريقتين الأخريين من حيث الحاجة إلى وسط مادي.
• أن يربط الطالب بين خواص المواد (موصلة/عازلة) وتطبيقاتها العملية.

شرح الدرس

كيف تنتقل الحرارة؟

تنتقل الحرارة دائمًا من الجسم أو المنطقة الأعلى درجة حرارة إلى الجسم أو المنطقة الأدنى درجة حرارة، حتى يصل الجسمان إلى حالة اتزان حراري (تساوي درجتي الحرارة). وتنتقل الحرارة بثلاث طرق رئيسية: التوصيل، والحمل، والإشعاع.

التوصيل الحراري

هو انتقال الحرارة عبر المادة (غالبًا الصلبة، وخصوصًا الفلزات) من جسيم إلى الجسيم المجاور له دون انتقال المادة نفسها من مكانها. فعندما يُسخَّن أحد طرفي قضيب معدني، تكتسب جسيمات هذا الطرف طاقة حركة أكبر فتهتز بعنف أكبر، وتنتقل هذه الطاقة تدريجيًا إلى الجسيمات المجاورة عن طريق التصادم بينها، وهكذا تنتقل الحرارة تدريجيًا حتى الطرف البارد.

• الموصلات الجيدة للحرارة: غالبًا الفلزات (كالنحاس والألومنيوم والحديد)؛ لاحتوائها على إلكترونات حرة الحركة تساعد على نقل الطاقة بسرعة.
• العوازل الحرارية (الموصلات الرديئة): مثل الخشب والزجاج والهواء والفلين والصوف؛ تنتقل خلالها الحرارة ببطء شديد، ولذلك تُستخدم في مقابض الأواني وفي العزل الحراري للمباني والملابس الشتوية.

الحمل الحراري

هو انتقال الحرارة في الموائع (السوائل والغازات) عن طريق حركة المادة نفسها، حيث ترتفع الأجزاء الساخنة (الأقل كثافة) إلى أعلى، بينما تهبط الأجزاء الباردة (الأكثر كثافة) لتحل محلها، فتتكون تيارات حمل حراري مستمرة تنقل الحرارة عبر المائع بالكامل. مثال: عند تسخين إناء ماء من أسفله، يسخن الماء الملامس للقاع فتقل كثافته فيرتفع لأعلى، بينما يهبط الماء البارد الأكثر كثافة من أعلى ليحل محله، ويتكرر ذلك حتى يسخن الماء بالكامل.

الإشعاع الحراري

هو انتقال الحرارة في صورة موجات كهرومغناطيسية (أشعة تحت حمراء غالبًا) دون الحاجة إلى وسط مادي، أي يمكن أن ينتقل عبر الفراغ تمامًا كما تصلنا حرارة الشمس عبر الفضاء الخالي بين الشمس والأرض. وتتميز الأسطح الداكنة (السوداء المطفية) بامتصاص الإشعاع الحراري وإصداره بكفاءة أكبر من الأسطح الفاتحة أو اللامعة التي تعكس معظم الإشعاع الساقط عليها.

مقارنة بين طرق انتقال الحرارة الثلاث

تطبيقات مجمعة لطرق الانتقال الثلاث

كثير من المواقف اليومية تتضمن الطرق الثلاث معًا؛ فمثلًا عند إشعال موقد وتسخين إناء عليه: تنتقل الحرارة من ألسنة اللهب إلى قاع الإناء بالتوصيل، ثم تنتقل عبر الماء داخل الإناء بالحمل، بينما نشعر بدفء الموقد عن بعد بالإشعاع الحراري الصادر منه.

أسئلة للتدريب

• فسّر آلية انتقال الحرارة بالتوصيل على مستوى الجسيمات.
• كيف تنشأ تيارات الحمل الحراري في السوائل والغازات؟
• لماذا يمكن للإشعاع الحراري أن ينتقل عبر الفراغ بينما لا يستطيع التوصيل والحمل ذلك؟
• اذكر تطبيقًا واحدًا لكل طريقة من طرق انتقال الحرارة الثلاث من حياتك اليومية.