إذا قربت يدك من مصباح كهربائي قيد التشغيل أو وضعت راحة يدك فوق موقد ساخن ، يمكنك أن تشعر بحركة تيارات الهواء الدافئ. يمكن ملاحظة نفس التأثير عندما تتأرجح ورقة فوق لهب مكشوف. يتم تفسير كلا التأثيرين بالحمل الحراري.
ما هو؟
تعتمد ظاهرة الحمل الحراري على تمدد مادة أكثر برودة عند ملامستها للكتل الساخنة. في مثل هذه الظروف تفقد المادة المسخنة كثافتها وتصبح أخف وزناً مقارنة بالفضاء البارد المحيط بها. بدقة أكثر ، هذه الخاصية للظاهرة تتوافق مع حركة تدفقات الحرارة عند تسخين الماء.
حركة الجزيئات في اتجاهين متعاكسين تحت تأثير التسخين هو بالضبط ما يعتمد عليه الحمل الحراري. يعتبر الإشعاع والتوصيل الحراري عمليتين متشابهتين ، لكنهما يتعلقان بشكل أساسي بنقل الطاقة الحرارية في المواد الصلبة.
أمثلة حية للحمل الحراري - حركة الهواء الدافئ في وسط غرفة بها تدفئةالأجهزة ، عندما تتحرك التيارات الساخنة تحت السقف ، وينزل الهواء البارد إلى سطح الأرض. لهذا السبب ، عند تشغيل التدفئة ، يكون الهواء في الجزء العلوي من الغرفة أكثر دفئًا بشكل ملحوظ مقارنة بقاع الغرفة.
قانون أرخميدس والتمدد الحراري للأجسام المادية
لفهم ماهية الحمل الحراري الطبيعي ، يكفي النظر في العملية باستخدام مثال قانون أرخميدس وظاهرة تمدد الأجسام تحت تأثير الإشعاع الحراري. لذلك ، وفقًا للقانون ، تؤدي الزيادة في درجة الحرارة بالضرورة إلى زيادة حجم السائل. يرتفع السائل المسخن من الأسفل في الحاويات أعلى ، وتتحرك الرطوبة ذات الكثافة الأعلى ، على التوالي ، إلى الأسفل. في حالة التسخين من الأعلى ، ستبقى سوائل أكثر كثافة وأقل كثافة في أماكنها ، وفي هذه الحالة لن تحدث الظاهرة.
ظهور المفهوم
اقترح العالم الإنجليزي ويليام بروت مصطلح "الحمل الحراري" لأول مرة في عام 1834. تم استخدامه لوصف حركة الكتل الحرارية في السوائل المتحركة الساخنة.
بدأت الدراسات النظرية الأولى لظاهرة الحمل الحراري فقط في عام 1916. خلال التجارب ، وجد أن الانتقال من الانتشار إلى الحمل الحراري في السوائل المسخنة من الأسفل يحدث عند الوصول إلى قيم درجة حرارة حرجة معينة. في وقت لاحق ، تم تعريف هذه القيمة على أنها "رقم Roel". سميت بهذا الاسم نسبة للباحث الذي درسها. أتاحت نتائج التجارب شرح حركة تدفقات الحرارة تحت تأثير قوى أرخميدس.
أنواع الحمل الحراري
هناك عدة أنواع للظاهرة التي نصفها - الحمل الطبيعي والقسري. مثال على حركة تدفق الهواء الساخن والبارد في منتصف الغرفة هو أفضل طريقة لوصف عملية الحمل الحراري الطبيعي. أما بالنسبة للقوة فيمكن ملاحظتها عند خلط السائل بملعقة أو مضخة أو محرك.
الحمل الحراري مستحيل عند تسخين المواد الصلبة. هذا يرجع إلى الجاذبية المتبادلة القوية أثناء اهتزاز جزيئاتها الصلبة. نتيجة لتسخين أجسام الهيكل الصلب ، لا يحدث الحمل الحراري والإشعاع. الموصلية الحرارية تحل محل هذه الظواهر في مثل هذه الأجسام وتساهم في نقل الطاقة الحرارية.
ما يسمى بالحمل الشعري هو نوع منفصل. تحدث العملية عندما تتغير درجة الحرارة أثناء حركة السائل عبر الأنابيب. في ظل الظروف الطبيعية ، فإن أهمية مثل هذا الحمل الحراري ، إلى جانب الحمل الطبيعي والقسري ، غير مهمة للغاية. ومع ذلك ، في تكنولوجيا الفضاء ، يصبح الحمل الحراري والإشعاع والتوصيل الحراري للمواد عوامل مهمة للغاية. حتى أضعف حركات الحمل الحراري في ظل ظروف انعدام الوزن تجعل من الصعب تنفيذ بعض المهام الفنية.
الحمل الحراري في طبقات القشرة الأرضية
ترتبط عمليات الحمل الحراري ارتباطًا وثيقًا بالتكوين الطبيعي للمواد الغازية في سمك قشرة الأرض. يمكن اعتبار الكرة الأرضية كروية تتكون من عدة طبقات متحدة المركز. يوجد في المركز قلب ساخن ضخم ، وهو عبارة عن كتلة سائلة عالية الكثافة تحتوي على الحديد ،والنيكل ومعادن أخرى.
الطبقات المحيطة لُب الأرض هي الغلاف الصخري والغطاء شبه السائل. الطبقة العليا من الكرة الأرضية هي مباشرة قشرة الأرض. يتكون الغلاف الصخري من صفائح فردية تتحرك بحرية على طول سطح الوشاح السائل. في سياق التسخين غير المتكافئ لأجزاء مختلفة من الوشاح والصخور ، والتي تختلف في تكوينها وكثافتها ، تتشكل تدفقات الحمل الحراري. تحت تأثير مثل هذه التدفقات يحدث التحول الطبيعي لقاع المحيط وحركة القارات الحاملة.
الاختلافات بين الحمل الحراري والتوصيل الحراري
يجب فهم الموصلية الحرارية على أنها قدرة الأجسام الفيزيائية على نقل الحرارة من خلال حركة المركبات الذرية والجزيئية. المعادن موصلات ممتازة للحرارة ، حيث أن جزيئاتها على اتصال وثيق مع بعضها البعض. على العكس من ذلك ، تعمل المواد الغازية والمتطايرة كموصلات رديئة للحرارة.
كيف يحدث الحمل الحراري؟ تعتمد فيزياء العملية على انتقال الحرارة بسبب الحركة الحرة لكتلة جزيئات المواد. في المقابل ، الموصلية الحرارية تتكون فقط من نقل الطاقة بين الجسيمات المكونة للجسم المادي. ومع ذلك ، فإن كلتا العمليتين مستحيلتان بدون وجود جزيئات المادة.
أمثلة على الظاهرة
أبسط الأمثلة وأكثرها فهمًا للحمل الحراري هي عملية الثلاجة العادية. الدورانيؤدي تبريد غاز الفريون عبر أنابيب غرفة التبريد إلى انخفاض درجة حرارة الطبقات العليا من الهواء. وفقًا لذلك ، يتم استبدال التيارات الباردة بتيارات أكثر دفئًا ، مما يؤدي إلى تبريد المنتجات.
تلعب الشبكة الموجودة على اللوحة الخلفية للثلاجة دور عنصر يسهل إزالة الهواء الدافئ المتشكل في ضاغط الوحدة أثناء ضغط الغاز. يعتمد تبريد الشبكة أيضًا على آليات الحمل الحراري. لهذا السبب لا ينصح بإفساد المساحة خلف الثلاجة. بعد كل شيء ، في هذه الحالة فقط ، يمكن أن يحدث التبريد دون صعوبة.
يمكن رؤية أمثلة أخرى للحمل الحراري من خلال ملاحظة ظاهرة طبيعية مثل حركة الرياح. مع ارتفاع درجة حرارة القارات القاحلة والتبريد على الأراضي الوعرة ، تبدأ التيارات الهوائية في إزاحة بعضها البعض ، مما يؤدي إلى تحركها ، وكذلك نقل الرطوبة والطاقة.
إمكانية تحليق الطيور والطائرات الشراعية مرتبطة بالحمل الحراري. تؤدي الكتل الهوائية الأقل كثافة والأكثر دفئًا ، مع التسخين غير المتكافئ بالقرب من سطح الأرض ، إلى تكوين تيارات صاعدة ، مما يساهم في عملية الارتفاع. للتغلب على المسافات القصوى دون إنفاق القوة والطاقة ، تحتاج الطيور إلى القدرة على إيجاد مثل هذه التدفقات.
الأمثلة الجيدة للحمل الحراري هي تكوين الدخان في المداخن والفوهات البركانية. تعتمد الحركة التصاعدية للدخان على درجة حرارته الأعلى وكثافته المنخفضة مقارنةً بالمناطق المحيطة به. عندما يبرد الدخان ، يستقر تدريجياً في الطبقات السفلى من الغلاف الجوي. بالضبط بسبب هذا السببالأنابيب الصناعية ، التي يتم من خلالها إطلاق المواد الضارة في الغلاف الجوي ، يتم تصنيعها على أعلى مستوى ممكن.
الأمثلة الأكثر شيوعًا للحمل الحراري في الطبيعة والتكنولوجيا
من بين أبسط الأمثلة التي يسهل فهمها والتي يمكن ملاحظتها في الطبيعة والحياة اليومية والتكنولوجيا ، يجب أن نسلط الضوء على:
- تدفق الهواء أثناء تشغيل بطاريات التدفئة المنزلية ؛
- تشكيل وحركة الغيوم
- عملية حركة الرياح والرياح الموسمية والنسائم ؛
- تحول الصفائح الأرضية التكتونية ؛
- العمليات التي تؤدي إلى تكوين غاز حر.
طبخ
ظاهرة الحمل الحراري تتحقق بشكل متزايد في الأجهزة المنزلية الحديثة ، ولا سيما في الأفران. تتيح لك خزانة الغاز ذات الحمل الحراري طهي أطباق مختلفة في نفس الوقت على مستويات منفصلة في درجات حرارة مختلفة. هذا يلغي تماما اختلاط النكهات والروائح
الفرن التقليدي يعتمد على موقد واحد لتسخين الهواء ، مما ينتج عنه توزيع غير متساو للحرارة. نظرًا للحركة الهادفة لتيارات الهواء الساخن بمساعدة مروحة متخصصة ، فإن الأطباق الموجودة في الفرن الحراري تصبح أكثر عصارة وأفضل خبزًا. تسخن هذه الأجهزة بشكل أسرع مما يقلل الوقت المطلوب للطهي.
بالطبع ، لربات البيوت اللواتي يطبخن في الفرن بضع مرات فقط في السنة ، جهاز منزلي بهلا يمكن تسمية وظيفة الحمل الحراري بتقنية الضرورة الأولى. ومع ذلك ، بالنسبة لأولئك الذين لا يستطيعون العيش بدون تجارب الطهي ، فإن مثل هذا الجهاز سيصبح ببساطة لا غنى عنه في المطبخ.
نأمل أن تكون المادة المقدمة مفيدة لكم. حظا سعيدا!
