انتقال الحرارة

انتقال الحرارة:

يمكن للحرارة الانتقال من جسم لآخر أو من جسم إلى الوسط المحيط به عن طريق ثلاث وسائل رئيسية: التوصيل الحراري، الحمل الحراري، الإشعاع الحراري.

التوصيل الحراري هو انتقال الطاقة عبر الجسم الصلب، فالتوصيل بين الأجسام يحدث عند التلامس المباشر بين جسمين، حيث تنتقل الطاقة بين جزيئات الجسمين عبر السطح.
الحمل الحراري هو انتقال الحرارة من جزء من الجسم المائع (سائل أو غاز) إلى جزء آخر، مثلا، في وعاء غليان الماء حيث يسخن الماء في قاع الوعاء الملامس فيرتفع ”بالحمل الحراري” إلى أعلى ويبرد على السطح، عندئذ تزيد كثافته بالتبريد فيثقل ويهبط ثانية إلى القاع.

 

 

 

 

 

الإشعاع الحراري ينتقل على شكل أمواج كهرومغناطيسية، وبالتحديد فوتونات الأشعة تحت الحمراء، التي تقوم بنقل الطاقة. وتعتمد كمية الطاقة التي يحملها الإشعاع على درجة الحرارة وطبيعة السطح الباعث للأشعة، مثال، الموجات التي تنتقل بها أشعة غاما وموجات الراديو.

دورة كارنو:

في عام 1824 اقترح المهندس الفرنسي ”سادي كارنو” نموذجًا لمحرك حراري يعتمد على ما يسمى ب ”دورة كارنو”، وهي دورة ديناميكية انعكاسية تمثل محركًا ميكانيكيًا يقوم بتحويل الطاقة الحرارية إلى طاقة ميكانيكية، إلا أن هذا المحرك لا وجود له! برغم ذلك، فإنه يمثل أهمية كبيرة لمصممي المحركات بمختلف أنواعها.

يمكن توضيح المبدأ الأساسي للمضخات الحرارية المستخدمة في التدفئة، المكيفات، والثلاجات كالتالي:
يؤدي ضغط الغاز إلى ارتفاع درجة حرارته مقارنة بالوسط المحيط به، ومن ثم يمكن أن يتم إزالة الحرارة من الغاز باستخدام مبادل حراري (heat exchanger)، مما يسمح له بعد ذلك بالتوسع مسببا برودته.
وبالعكس، فإن تسخين الغاز يزيد من الضغط فيه، مما يجعله يتوسع، الغاز المتمدد يمكن استخدامه لدفع المكبس وهكذا يتم تحويل الطاقة الحرارية إلى طاقة حركية، وهذا هو المبدأ الأساسي وراء المحركات الحرارية.

 

 

 

الاعتلاج أو العشوائية أو الإنتروبيا (Entropy):

كل أنواع نظم الديناميكا الحرارية تنتج حرارة مهدرة، والتي بدورها تقوم بزيادة الإنتروبيا، والتي هي بالنسبة لكل نظام مغلق ”قياس كمي لكمية الطاقة الحرارية الغير متاحة للقيام بعمل”. الإنتروبيا في أي نظام مغلق تتزايد فقط (غير قابلة للتناقص)، إضافة إلى أن تحرك الجزيئات أيضا ينتج حرارة مهدرة بسبب الاهتزاز والاشعاعات الحرارية المسربة من نظام المادة، وهذا ما يجعل الحركة المستمرة للأجسام شيئًا مستحيلًا.
بروفيسور الفيزياء في جامعة ولاية ميسوري “Sibal Mitra”، يشرح قائلا:”لا يمكنك بناء ذلك المحرك الفعال بنسبة 100%، مما يعني انه لا يمكنك بناء آلة تتحرك دائما، ومع ذلك هناك العديد من الناس الذين لا يصدقون هذا الأمر وما يزالون يحاولون بناء آلات الحركة الدائمة”.

تعرف الإنتروبيا أيضا على أنها كمية ”العشوائية” في النظام المغلق، للتوضيح أكثر، يمكنك دمج الماء الساخن مع الماء البارد، لكن لأن الكمية الكبيرة من الماء الساخن أكثر عشوائية من كميتين أصغر من الماء الساخن والبارد، فلا يمكنك أبدا إعادتها إلى بارد وساخن دون إضافة طاقة إلى النظام، بطريقة أخرى، لا يمكنك إعادة البيض بعد خلطه أو إزالة مبيض القهوة.

وأخيرًا، القوانين الأربعة للديناميكا الحرارية:

المبدأ الأساسي للديناميكا الحرارية تم التعبير عنه بثلاثة قوانين أساسية. لاحقا، تم الإقرار بأن القانون الأكثر أهمية كان مهملا!، كان السبب فيما يبدو هو عدم وجود حاجة إلى الإعلان عنه باعتباره كان بديهيًا. لكن لتشكيل مجموعة كاملة من القواعد، اعتمد العلماء على أن هذا القانون يجب تضمينه، لكن المشكلة كانت أن تلك القوانين قد انتشرت وأصبحت معروفة بأرقامها ولا يمكن تغيير رقم كل قانون الآن لأن ذلك سوف يسبب ازعاجًا كبيرًا على كافة الأصعدة، ولا يمكن اعطاء القانون الرقم الأخير لأنه سيكون أمرًا غير منطقي. ليأتي بعدها العالم البريطاني رالف فاولر (Ralph Fowler) بالحل الذي سوف ينهي هذه المعضلة، وهو إعطاء القانون الجديد اسم ”القانون صفر” أو ”المبدأ صفر”.

 

 

هنا نقدم إليكم نبذة عن القوانين الأربعة:

القانون صفر The Zeroth Low: ينص على أنه إذا كان هناك جسمان في وضع توازن حراري مع جسم ثالث، فإن الجسمين يكونان في وضع توازن حراري مع بعضهما البعض، هذا ما يجعل درجة الحرارة خاصية أساسية للمادة.
القانون الأول The First Law: ينص على أن مقدار الزيادة في الطاقة الداخلية يساوي كمية الحرارة المدخلة إلى النظام ناقص الشغل المؤدى من النظام.
القانون الثاني The Second Law: ينص على أن الطاقة لا يمكنها الانتقال من جسم ذي درجة حرارة أقل إلى جسم ذي درجة حرارة أعلى بدون طاقة إضافية، (هذا ما يجعل تشغيل مكيف الهواء يحتاج إلى المال!).
القانون الثالث The Third Law: ينص على أن الإنتروبيا عند الصفر المطلق هي”صفر”!، كما شرحنا مسبقا، الإنتروبيا هي شيء يسمى ب”الطاقة المهدرة”، أي الطاقة الغير قادرة على القيام بعمل، ولذلك لا يوجد طاقة حرارية عند الصفر المطلق.
مما يعني، بشكل مختصر، أنه لا يمكن الوصول بدرجة الحرارة إلى الصفر المطلق، ولخفض درجة حرارة أي جسم لا بد من بذل طاقة، وتتزايد الطاقة المبذولة لخفض درجة حرارة الجسم تزايدا كبيرا جدًا كلما اقتربنا أكثر وأكثر من درجة الصفر المطلق.