لديهم الموصلية الحرارية السيئة. المسابقة الدولية الثانية للبحث العلمي والأعمال الإبداعية للطلاب "البدء في العلوم"

الطاقة الحرارية هي المصطلح الذي نستخدمه لوصف مستوى نشاط الجزيئات في الجسم. ترتبط الإثارة المتزايدة، بطريقة أو بأخرى، بزيادة في درجة الحرارة، بينما تتحرك الذرات في الأجسام الباردة بشكل أبطأ بكثير.

يمكن العثور على أمثلة لانتقال الحرارة في كل مكان - في الطبيعة والتكنولوجيا و الحياة اليومية.

أمثلة على نقل الطاقة الحرارية

أعظم مثال على نقل الحرارة هو الشمس، التي تدفئ كوكب الأرض وكل شيء عليه. في الحياة اليومية، يمكنك العثور على الكثير من الخيارات المماثلة، فقط بمعنى أقل عالمية بكثير. إذًا، ما هي الأمثلة على انتقال الحرارة التي يمكن ملاحظتها في الحياة اليومية؟

وهنا بعض منهم:

الحرارة هي الحركة

التدفقات الحرارية في حركة مستمرة. يمكن تسمية الطرق الرئيسية لنقلها بالاتفاقية والإشعاع والتوصيل. دعونا ننظر إلى هذه المفاهيم بمزيد من التفصيل.

ما هي الموصلية؟

ربما لاحظ الكثيرون أكثر من مرة أن أحاسيس لمس الأرض في نفس الغرفة يمكن أن تكون مختلفة تمامًا. من اللطيف والدافئ المشي على السجادة، ولكن إذا دخلت الحمام حافي القدمين، فإن البرودة الملحوظة ستمنحك على الفور شعورًا بالحيوية. ليس فقط في حالة وجود أرضيات ساخنة.

فلماذا يتجمد سطح البلاط؟ كل هذا بسبب التوصيل الحراري. إنه أحد ثلاثة أنواع من نقل الحرارة. كلما كائنين درجات حرارة مختلفةعلى اتصال مع بعضها البعض، وسوف تتدفق الطاقة الحرارية بينهما. من أمثلة انتقال الحرارة في هذه الحالة ما يلي: التمسك بلوحة معدنية، سيتم وضع الطرف الآخر منها فوق لهب الشمعة، مع مرور الوقت يمكن أن تشعر بإحساس حارق وألم، وعند لمس المقبض الحديدي من مقلاة مع الماء المغلي يمكنك الحصول على حرق.

عوامل الموصلية

تعتمد الموصلية الجيدة أو الضعيفة على عدة عوامل:

• نوع وجودة المادة التي تصنع منها الأصناف.
• مساحة سطح جسمين متلامسين.
• فرق درجة الحرارة بين جسمين.
• سمك وحجم الأشياء.

في شكل معادلة، يبدو الأمر كما يلي: معدل انتقال الحرارة إلى جسم ما يساوي التوصيل الحراري للمادة التي يتكون منها الجسم، مضروبًا في مساحة السطح المتصل، مضروبًا في فرق درجة الحرارة بين الجسمين، ومقسمة على سمك المادة. انه سهل.

أمثلة الموصلية

يسمى النقل المباشر للحرارة من جسم إلى آخر بالتوصيل، والمواد التي توصل الحرارة بشكل جيد تسمى الموصلات. بعض المواد والمواد لا تتعامل بشكل جيد مع هذه المهمة، وتسمى بالعوازل. وتشمل هذه الخشب والبلاستيك والألياف الزجاجية وحتى الهواء. كما تعلمون، فإن العوازل لا توقف تدفق الحرارة فعليًا، ولكنها ببساطة تبطئها بدرجة أو بأخرى.

الحمل الحراري

يحدث هذا النوع من انتقال الحرارة، مثل الحمل الحراري، في جميع السوائل والغازات. يمكنك العثور على مثل هذه الأمثلة لانتقال الحرارة في الطبيعة وفي الحياة اليومية. عندما يسخن السائل، تكتسب الجزيئات الموجودة في الأسفل طاقة وتبدأ في التحرك بشكل أسرع، مما يؤدي إلى انخفاض الكثافة. تبدأ جزيئات السائل الدافئ في التحرك للأعلى بينما يبدأ سائل التبريد (السائل الأكثر كثافة) في الانخفاض. بعد أن تصل الجزيئات الباردة إلى الأسفل، فإنها تتلقى مرة أخرى حصتها من الطاقة وتندفع مرة أخرى إلى الأعلى. تستمر الدورة طالما يوجد مصدر للحرارة في الأسفل.

يمكن إعطاء أمثلة على نقل الحرارة في الطبيعة على النحو التالي: بمساعدة موقد مجهز خصيصًا، يمكن للهواء الدافئ، الذي يملأ مساحة البالون، رفع الهيكل بأكمله إلى ارتفاع عالٍ بدرجة كافية، بيت القصيد هو أن الهواء الدافئ هو أخف من الهواء البارد.

إشعاع

عندما تجلس أمام النار، تشعر بالدفء من الحرارة المنبعثة منها. ويحدث نفس الشيء إذا وضعت راحة يدك على مصباح كهربائي مشتعل دون لمسه. سوف تشعر بالدفء أيضًا. أكبر الأمثلة على نقل الحرارة في الحياة اليومية والطبيعة هي الطاقة الشمسية. كل يوم، تمر حرارة الشمس عبر 146 مليون كيلومتر من الفضاء الفارغ وصولاً إلى الأرض نفسها. إنها القوة الدافعة لجميع أشكال وأنظمة الحياة الموجودة على كوكبنا اليوم. وبدون طريقة النقل هذه، سنكون في ورطة كبيرة، ولن يكون العالم كما نعرفه.

الإشعاع هو نقل الحرارة باستخدام الموجات الكهرومغناطيسية، سواء كانت موجات الراديو أو الأشعة تحت الحمراء أو الأشعة السينية أو حتى الضوء المرئي. جميع الكائنات تنبعث وتمتص الطاقة الإشعاعية، بما في ذلك الشخص نفسه، ولكن ليس كل الأشياء والمواد تتعامل مع هذه المهمة بشكل متساوٍ. يمكن اعتبار أمثلة نقل الحرارة في الحياة اليومية باستخدام هوائي تقليدي. وكقاعدة عامة، ما يُصدر جيدًا يُمتص جيدًا أيضًا. أما الأرض فتستقبل الطاقة من الشمس ثم تطلقها مرة أخرى إلى الفضاء. تسمى هذه الطاقة الإشعاعية بالإشعاع الأرضي، وهي التي تجعل الحياة نفسها ممكنة على هذا الكوكب.

أمثلة على انتقال الحرارة في الطبيعة والحياة اليومية والتكنولوجيا

يعد نقل الطاقة، وخاصة الطاقة الحرارية، مجالًا أساسيًا للدراسة لجميع المهندسين. الإشعاع يجعل الأرض صالحة للسكن وينتج طاقة شمسية متجددة. الحمل الحراري هو أساس الميكانيكا وهو المسؤول عن تدفق الهواء في المباني وتبادل الهواء في المنازل. تسمح لك الموصلية بتسخين المقلاة بمجرد وضعها على النار.

هناك أمثلة عديدة لانتقال الحرارة في التكنولوجيا والطبيعة واضحة وموجودة في جميع أنحاء عالمنا. يلعب جميعهم تقريبًا دورًا كبيرًا، خاصة في مجال الهندسة الميكانيكية. على سبيل المثال، عند تصميم نظام تهوية المبنى، يقوم المهندسون بحساب انتقال الحرارة من المبنى إلى المناطق المحيطة به، وكذلك نقل الحرارة الداخلية. كما أنهم يختارون المواد التي تقلل أو تزيد من نقل الحرارة من خلال المكونات الفردية لتحسين الكفاءة.

تبخر

عندما تتعرض ذرات أو جزيئات سائل (مثل الماء) لكمية كبيرة من الغاز، فإنها تميل إلى الدخول تلقائيًا في الحالة الغازية أو التبخر. يحدث هذا لأن الجزيئات تتحرك باستمرار في اتجاهات مختلفة بسرعات عشوائية وتتصادم مع بعضها البعض. وخلال هذه العمليات يتلقى بعضها طاقة حركية تكفي لطردها من مصدر التسخين.

ومع ذلك، ليس كل الجزيئات لديها الوقت لتتبخر وتصبح بخار الماء. كل هذا يتوقف على درجة الحرارة. لذا، فإن الماء الموجود في الكوب سوف يتبخر بشكل أبطأ منه في المقلاة المسخنة على الموقد. يؤدي غلي الماء إلى زيادة طاقة الجزيئات بشكل كبير، مما يؤدي بدوره إلى تسريع عملية التبخر.

مفاهيم أساسية

• التوصيل هو نقل الحرارة عبر مادة عن طريق الاتصال المباشر للذرات أو الجزيئات.
• الحمل الحراري هو نقل الحرارة من خلال دوران الغاز (مثل الهواء) أو السائل (مثل الماء).
• الإشعاع هو الفرق بين كمية الحرارة الممتصة والمنعكسة. تعتمد هذه القدرة بشكل كبير على اللون، حيث تمتص الأجسام السوداء حرارة أكثر من الأجسام الفاتحة.
• التبخر هو العملية التي تكتسب بها الذرات أو الجزيئات في الحالة السائلة طاقة كافية لتتحول إلى غاز أو بخار.
• هي غازات تحبس حرارة الشمس في الغلاف الجوي للأرض، مما يؤدي إلى ظاهرة الاحتباس الحراري. هناك فئتان رئيسيتان - بخار الماء وثاني أكسيد الكربون.
• - هذه موارد لا حدود لها يتم تجديدها بسرعة وبشكل طبيعي. وتشمل هذه الأمثلة التالية لانتقال الحرارة في الطبيعة والتكنولوجيا: الرياح والطاقة الشمسية.
• الموصلية الحرارية هي المعدل الذي تنتقل به المادة طاقة حراريةمن خلال نفسك.
• التوازن الحراري هو الحالة التي تكون فيها جميع أجزاء النظام لها نفس درجة الحرارة.

التطبيق في الممارسة العملية

تشير العديد من الأمثلة على انتقال الحرارة في الطبيعة والتكنولوجيا (الصور أعلاه) إلى أنه يجب دراسة هذه العمليات جيدًا واستخدامها من أجل الخير. يطبق المهندسون معرفتهم بمبادئ نقل الحرارة، ويستكشفون تقنيات جديدة تستخدم الموارد المتجددة وتكون أقل تدميراً بيئة. المفتاح هو أن نفهم أن نقل الطاقة يفتح إمكانيات لا حصر لها للحلول الهندسية وأكثر من ذلك.

الطاقة الداخلية، مثل أي نوع من الطاقة، يمكن أن تنتقل من جسم إلى آخر.يمكن نقل الطاقة الداخلية من جزء من الجسم إلى آخر. لذلك، على سبيل المثال، إذا تم تسخين أحد طرفي الظفر في اللهب، فإن نهايته الأخرى الموجودة في اليد ستسخن تدريجياً وتحرق اليد. وتسمى ظاهرة انتقال الطاقة الداخلية من جزء من الجسم إلى آخر أو من جسم إلى آخر أثناء اتصالها المباشر بالتوصيل الحراري.
دعونا ندرس هذه الظاهرة من خلال إجراء سلسلة من التجارب على المواد الصلبة والسوائل والغازات. دعونا نضع نهاية العصا الخشبية في النار. سوف تشتعل. سيكون الطرف الآخر من العصا، الموجود بالخارج، باردًا. وهذا يعني أن الشجرة لديها الموصلية الحرارية السيئة. دعونا نحضر نهاية قضيب زجاجي رفيع إلى لهب مصباح الكحول. بعد فترة من الوقت سوف يسخن، ولكن الطرف الآخر سيبقى باردا. ونتيجة لذلك، فإن الزجاج لديه أيضًا موصلية حرارية ضعيفة. إذا قمنا بتسخين نهاية قضيب معدني في اللهب، فسرعان ما يصبح القضيب بأكمله ساخنًا جدًا. ولن نكون قادرين على الاحتفاظ بها في أيدينا بعد الآن. وهذا يعني أن المعادن موصلة للحرارة بشكل جيد، أي أنها تتمتع بموصلية حرارية عالية. أعلى الموصلية الحراريةلديك الفضة والنحاس.
دعونا نفكر في انتقال الحرارة من جزء من مادة صلبة إلى جزء آخر في التجربة التالية. دعونا تأمين نهاية واحدة من سميكة سلك نحاسعلى ترايبود. نعلق عدة مسامير على السلك بالشمع (الشكل 6). عندما يتم تسخين الطرف الحر من السلك في لهب مصباح الكحول، سوف يذوب الشمع. سيبدأ القرنفل في التساقط تدريجيًا. أولا، سوف يسقط أولئك الذين يقعون بالقرب من اللهب، ثم كل الباقي بدوره. دعونا نتعرف على كيفية انتقال الطاقة عبر السلك. تزداد سرعة الحركة التذبذبية للجزيئات المعدنية في ذلك الجزء من السلك الأقرب إلى اللهب. وبما أن الجزيئات تتفاعل باستمرار مع بعضها البعض، فإن سرعة حركة الجزيئات المجاورة تزداد. تبدأ درجة حرارة الجزء التالي من السلك في الزيادة، وما إلى ذلك. وينبغي أن نتذكر أنه أثناء التوصيل الحراري لا يوجد نقل للمادة من أحد طرفي الجسم إلى الطرف الآخر. دعونا الآن نفكر في التوصيل الحراري للسوائل. لنأخذ أنبوب اختبار به ماء ونبدأ بتسخين الجزء العلوي منه. سوف يغلي الماء الموجود على السطح قريبًا، وفي الجزء السفلي من أنبوب الاختبار خلال هذا الوقت سوف يسخن فقط (الشكل 7). وهذا يعني أن السوائل لديها موصلية حرارية منخفضة، باستثناء الزئبق والمعادن المنصهرة. ويفسر ذلك حقيقة أن الجزيئات في السوائل تقع على مسافات أكبر من بعضها البعض مما هي عليه في المواد الصلبة. دعونا ندرس التوصيل الحراري للغازات.
ضع أنبوب الاختبار الجاف على إصبعك وقم بتسخينه رأسًا على عقب في لهب مصباح الكحول (الشكل 8). لن يشعر الإصبع بالحرارة لفترة طويلة. ويرجع ذلك إلى حقيقة أن المسافة بين جزيئات الغاز أكبر من المسافة بين السوائل والمواد الصلبة. ونتيجة لذلك، فإن الموصلية الحرارية للغازات أقل. لذلك، الموصلية الحرارية مواد مختلفةمختلف. توضح التجربة الموضحة في الشكل 9 أن التوصيل الحراري للمعادن المختلفة ليس هو نفسه. الصوف والشعر وريش الطيور والورق والفلين وغيرها لديهم موصلية حرارية سيئة. أجسام مسامية. ويرجع ذلك إلى وجود الهواء بين ألياف هذه المواد. يتمتع الفراغ (المساحة الخالية من الهواء) بأدنى موصلية حرارية.


ويفسر ذلك حقيقة أن التوصيل الحراري هو نقل الطاقة من جزء من الجسم إلى آخر، والذي يحدث أثناء تفاعل الجزيئات أو الجزيئات الأخرى.في الفضاء الذي لا توجد فيه جزيئات، لا يمكن أن يحدث التوصيل الحراري. إذا كانت هناك حاجة لحماية الجسم من التبريد أو التدفئة، فسيتم استخدام المواد ذات الموصلية الحرارية المنخفضة. لذلك، بالنسبة للأواني والمقالي، تكون المقابض مصنوعة من البلاستيك. يتم بناء المنازل من جذوع الأشجار أو الطوب، والتي لديها الموصلية الحرارية السيئة، مما يعني أنها تحمي المبنى من التبريد.

يحدث التبادل الحراري بين وسطين من خلال جدار متين يفصل بينهما أو من خلال السطح البيني بينهما.

لا يمكن للحرارة أن تنتقل إلا من الجسم الذي درجة حرارته أعلى إلى الجسم الذي درجة حرارته أقل.

يتم التبادل الحراري دائمًا بحيث يكون انخفاض الطاقة الداخلية لبعض الأجسام مصحوبًا دائمًا بنفس الزيادة في الطاقة الداخلية للأجسام الأخرى المشاركة في التبادل الحراري.

توصيل حراري

الموصلية الحرارية هي نوع من نقل الحرارة حيث يوجد نقل مباشر للطاقة من الجزيئات (الجزيئات والذرات) في الجزء الأكثر تسخينًا من الجسم إلى جزيئات الجزء الأقل تسخينًا.

التوصيل الحراري لا يصاحبه نقل المادة! يجب أن نتذكر أنه أثناء التوصيل الحراري، لا تتحرك المادة نفسها على طول الجسم، يتم نقل الطاقة فقط.

الموصلية الحرارية للمواد المختلفة مختلفة.

يمكنك إجراء التجربة التالية - تناول كوبًا به الماء الساخنووضع هناك ملاعق مصنوعة من مواد مختلفة (الألومنيوم والنحاس والنيكل والفولاذ والخشب والبلاستيك) وبعد 3 دقائق انظر هل تم تسخين الملاعق بالتساوي؟؟ تحليل النتيجة

ويوضح الجدول أن المعادن لديها أعلى الموصلية الحرارية، علاوة على ذلك، فإن المعادن المختلفة لها موصلية حرارية مختلفة.

تتمتع السوائل بموصلية حرارية أقل من المواد الصلبة، كما تتمتع الغازات بموصلية حرارية أقل من السوائل.

دعونا نفكر في تجربة التوصيل الحراري للسوائل. إذا وضعت الثلج في قاع برميل من الماء وقمت بتسخين الطبقة العليا من الماء باستخدام غلاية. وبعد ذلك سوف يغلي الماء الموجود على السطح قريبًا، لكن الجليد الموجود بالأسفل لن يذوب. ويفسر ذلك حقيقة أن الجزيئات في السوائل تقع على مسافات أكبر من بعضها البعض مقارنة بالمواد الصلبة.

الشعر والريش والورق والفلين والأجسام المسامية الأخرى لديها أيضًا موصلية حرارية ضعيفة. ويرجع ذلك إلى وجود الهواء بين ألياف هذه المواد. يتمتع الفراغ (المساحة الخالية من الهواء) بأدنى موصلية حرارية. ويفسر ذلك حقيقة أن التوصيل الحراري هو نقل الطاقة من جزء من الجسم إلى آخر، والذي يحدث أثناء تفاعل الجزيئات أو الجزيئات الأخرى. في الفضاء الذي لا توجد فيه جزيئات، لا يمكن أن يحدث التوصيل الحراري.

المعادن - المواد الصلبة - السوائل - الغازات

ضعف التوصيل الحراري

إذا كانت هناك حاجة لحماية الجسم من التبريد أو التدفئة، فسيتم استخدام المواد ذات الموصلية الحرارية المنخفضة. لذلك، فإن مقابض الحنفيات الموجودة على المبرد مصنوعة من البلاستيك، ومقابض الأواني مصنوعة أيضًا من سبيكة مماثلة. يتم بناء المنازل من جذوع الأشجار أو الطوب المسامي، والتي لديها موصلية حرارية سيئة، مما يعني أنها تحمي المبنى من التبريد.

حاليا، في العديد من المناطق، بدأ بناء المباني على ركائز متينة. في هذه الحالة، يتم نقل الحرارة فقط عن طريق التوصيل الحراري من الأساس إلى الكومة ومن الكومة إلى التربة، وتصنع الأكوام من مادة صلبة متينة، ويتم ملؤها من الداخل بالكيروسين. في الصيف، تقوم الكومة بتوصيل الحرارة من الأعلى إلى الأسفل بشكل سيء، لأن السائل لديه الموصلية الحرارية المنخفضة. في فصل الشتاء، فإن الكومة، بسبب الحمل الحراري للسائل الموجود بداخلها، على العكس من ذلك، ستساهم في تبريد إضافي للتربة.

توصيل حراري- هذا نوع من نقل الحرارة حيث يوجد نقل مباشر للطاقة من الجزيئات (الجزيئات والذرات) في الجزء الأكثر تسخينًا من الجسم إلى جزيئات الجزء الأقل تسخينًا.

دعونا نفكر في سلسلة من التجارب المتعلقة بتسخين المواد الصلبة والسوائل والغازات.

نقل الحرارة الإشعاعي.

نقل الحرارة الإشعاعي- هذا هو التبادل الحراري الذي يتم فيه نقل الطاقة بواسطة أشعة مختلفة.

يمكن أن تكون هذه أشعة الشمس، وكذلك الأشعة المنبعثة من الأجسام الساخنة من حولنا.

لذلك، على سبيل المثال، الجلوس بالقرب من النار، نشعر كيف يتم نقل الحرارة من النار إلى جسمنا. ومع ذلك، لا يمكن أن يكون سبب نقل الحرارة هذا هو التوصيل الحراري (وهو صغير جدًا بالنسبة للهواء بين اللهب والجسم) أو الحمل الحراري (نظرًا لأن تدفقات الحمل الحراري يتم توجيهها دائمًا إلى الأعلى). وهنا يحدث النوع الثالث من التبادل الحراري - نقل الحرارة الإشعاعي.

لنأخذ قارورة صغيرة مدخنة على جانب واحد.

أدخل أنبوبًا زجاجيًا مثنيًا بزاوية قائمة من خلال السدادة. في هذا الأنبوب، الذي يحتوي على قناة ضيقة، نقوم بإدخال السائل الملون. ومن خلال ربط مقياس بالأنبوب، نحصل على الجهاز - المنظار الحراري. يتيح لك هذا الجهاز اكتشاف حتى تسخين طفيف للهواء في دورق مدخن.

إذا قمت بإحضار قطعة معدنية ساخنة إلى درجة حرارة عالية إلى السطح المظلم للمنظار الحراري، فسوف يتحرك عمود السائل إلى اليمين. من الواضح أن الهواء الموجود في الدورق يسخن ويتوسع. لا يمكن تفسير التسخين السريع للهواء في المنظار الحراري إلا من خلال نقل الطاقة إليه من جسم ساخن. وكما في حالة الحريق، فإن الطاقة هنا لا تنتقل عن طريق التوصيل الحراري ولا عن طريق نقل الحرارة بالحمل الحراري. تم نقل الطاقة في هذه الحالة باستخدام الأشعة غير المرئية المنبعثة من جسم ساخن. وتسمى هذه الأشعة الإشعاع الحراري.

يمكن أن يحدث التبادل الحراري الإشعاعي في فراغ كامل. وهذا ما يميزه عن الأنواع الأخرى من التبادل الحراري.

جميع الأجسام تنبعث منها طاقة: ساخنة بشدة وضعيفة، على سبيل المثال، جسم الإنسان، الموقد، المصباح الكهربائي. ولكن كلما ارتفعت درجة حرارة الجسم، كلما كان إشعاعه الحراري أقوى. الطاقة المنبعثة، بعد أن وصلت إلى أجسام أخرى، تمتصها جزئيًا وتنعكس جزئيًا. عند امتصاص الطاقة الإشعاع الحراريتتحول إلى طاقة داخلية للأجسام فتسخن.

تمتص الأسطح الفاتحة والداكنة الطاقة بشكل مختلف. لذلك، إذا قمت في تجربة باستخدام المنظار الحراري، بإدارة القارورة نحو الجسم الساخن، أولاً مع الجانب المدخن ثم الجانب المضيء، فإن عمود السائل في الحالة الأولى سيتحرك مسافة أكبر مما هو عليه في الحالة الثانية (انظر الشكل أعلاه). ويترتب على ذلك أن الأجسام ذات السطح المظلم تمتص الطاقة بشكل أفضل (وبالتالي تسخن أكثر) من الأجسام ذات السطح الخفيف أو المرآة.

الأجسام ذات السطح الداكن لا تمتص الطاقة بشكل أفضل فحسب، بل تبعث الطاقة أيضًا بشكل أفضل.

تُستخدم القدرة على امتصاص الطاقة الإشعاعية بطرق مختلفة على نطاق واسع في التكنولوجيا. على سبيل المثال، غالبًا ما يتم طلاء البالونات وأجنحة الطائرات باللون الفضي لتقليل الحرارة الناتجة عن أشعة الشمس.

إذا كان من الضروري استخدام الطاقة الشمسية (على سبيل المثال، لتسخين بعض الأجهزة المثبتة على الأقمار الصناعية)، يتم طلاء هذه الأجهزة باللون الداكن.

التبادل الحراري- وهي عملية تغيير الطاقة الداخلية دون بذل شغل على الجسم أو الجسم نفسه.
يحدث التبادل الحراري دائمًا في اتجاه معين: من الأجسام ذات درجة الحرارة الأعلى إلى الأجسام ذات درجة الحرارة الأقل.
عندما تتساوى درجات حرارة الجسم، يتوقف التبادل الحراري.
يمكن إجراء التبادل الحراري بثلاث طرق:

1. توصيل حراري
2. الحمل الحراري
3. إشعاع

توصيل حراري

توصيل حراري- ظاهرة انتقال الطاقة الداخلية من جزء من الجسم إلى آخر أو من جسم إلى آخر عند ملامستها المباشرة.
المعادن لديها أعظم الموصلية الحرارية- لديهم مئات المرات أكثر من الماء. الاستثناءات هي الزئبق والرصاص.ولكن هنا الموصلية الحرارية أكبر بعشرات المرات من الموصلية الحرارية للماء.
عندما تم إنزال إبرة الحياكة المعدنية في كوب من الماء الساخن، سرعان ما أصبحت نهاية إبرة الحياكة ساخنة أيضًا. وبالتالي فإن الطاقة الداخلية، كأي نوع من أنواع الطاقة، يمكن أن تنتقل من جسم إلى آخر. يمكن نقل الطاقة الداخلية من جزء من الجسم إلى آخر. لذلك، على سبيل المثال، إذا تم تسخين أحد طرفي الظفر في اللهب، فإن نهايته الأخرى الموجودة في اليد ستسخن تدريجياً وتحرق اليد.
يتم تسخين المقلاة على موقد كهربائي من خلال التوصيل الحراري.
دعونا ندرس هذه الظاهرة من خلال إجراء سلسلة من التجارب على المواد الصلبة والسوائل والغازات.
دعونا نضع نهاية العصا الخشبية في النار. سوف تشتعل. سيكون الطرف الآخر من العصا، الموجود بالخارج، باردًا. وسائل، الخشب لديه الموصلية الحرارية السيئة.
دعونا نحضر نهاية قضيب زجاجي رفيع إلى لهب مصباح الكحول. بعد مرور بعض الوقت، سوف يسخن، ولكن الطرف الآخر سيبقى باردا. لذلك و الزجاج لديه الموصلية الحرارية السيئة.
إذا قمنا بتسخين نهاية قضيب معدني في اللهب، فسرعان ما يصبح القضيب بأكمله ساخنًا جدًا. ولن نكون قادرين على الاحتفاظ بها في أيدينا بعد الآن.
وسائل، تقوم المعادن بتوصيل الحرارة بشكل جيد، أي أنها تتمتع بموصلية حرارية عالية. تتمتع الفضة والنحاس بأكبر قدر من التوصيل الحراري.
الموصلية الحرارية للمواد المختلفة مختلفة.
الصوف والشعر وريش الطيور والورق والفلين وغيرها من الأجسام المسامية لها موصلية حرارية ضعيفة.ويرجع ذلك إلى وجود الهواء بين ألياف هذه المواد. يتمتع الفراغ (المساحة الخالية من الهواء) بأدنى موصلية حرارية.ويفسر ذلك حقيقة أن التوصيل الحراري هو نقل الطاقة من جزء من الجسم إلى آخر، والذي يحدث أثناء تفاعل الجزيئات أو الجزيئات الأخرى. في الفضاء الذي لا توجد فيه جزيئات، لا يمكن أن يحدث التوصيل الحراري.
إذا كانت هناك حاجة لحماية الجسم من التبريد أو التدفئة، فسيتم استخدام المواد ذات الموصلية الحرارية المنخفضة. لذلك، بالنسبة للأواني والمقالي، تكون المقابض مصنوعة من البلاستيك. يتم بناء المنازل من جذوع الأشجار أو الطوب، والتي لديها الموصلية الحرارية السيئة، مما يعني أنها محمية من التبريد.

الحمل الحراري

الحمل الحراريهي عملية نقل الحرارة تتم عن طريق نقل الطاقة عن طريق تدفق السائل أو الغاز.
مثال على ظاهرة الحمل الحراري: دولاب ورقي صغير يوضع فوق لهب شمعة أو مصباح كهربائي يبدأ في الدوران تحت تأثير الهواء الساخن المتصاعد. ويمكن تفسير هذه الظاهرة بهذه الطريقة. يسخن الهواء الملامس للمصباح الدافئ ويتمدد ويصبح أقل كثافة من الهواء البارد المحيط به. فقوة أرخميدس التي تؤثر على الهواء الدافئ من جهة الهواء البارد من الأسفل إلى الأعلى أكبر من قوة الجاذبية التي تؤثر على الهواء الدافئ. ونتيجة لذلك، فإن الهواء الساخن "يطفو"، ويرتفع، ويحل محله الهواء البارد.
أثناء الحمل الحراري، يتم نقل الطاقة عن طريق نفاثات الغاز أو السائل نفسها.
هناك نوعان من الحمل الحراري:

• طبيعي (أو مجاني)

يحدث تلقائيًا في المادة عندما يتم تسخينها بشكل غير متساو. مع هذا الحمل الحراري، يتم تسخين الطبقات السفلية من المادة، وتصبح أخف وزنا وتطفو، والطبقات العليا، على العكس من ذلك، تبرد، وتصبح أثقل وتغرق، وبعد ذلك تتكرر العملية.

• قسري

تتم ملاحظته عند خلط السائل باستخدام أداة التحريك أو الملعقة أو المضخة، وما إلى ذلك.
لكي يحدث الحمل الحراري في السوائل والغازات، يجب تسخينها من الأسفل.
لا يمكن أن يحدث الحمل الحراري في المواد الصلبة.

إشعاع

إشعاع - الاشعاع الكهرومغناطيسيالمنبعثة بسبب الطاقة الداخلية من مادة موجودة عند درجة حرارة معينة.
يتم وصف قوة الإشعاع الحراري الصادر عن جسم يستوفي معايير الجسم الأسود بواسطة قانون ستيفان بولتزمان.
تم وصف العلاقة بين القدرات الانبعاثية والاستيعابية للأجسام قانون كيرشوف للإشعاع.
يختلف نقل الطاقة بالإشعاع عن أنواع نقل الحرارة الأخرى: فهو يمكن تنفيذها في فراغ كامل.
جميع الأجسام تبعث طاقة: سواء كانت شديدة الحرارة أو ضعيفة التسخين، على سبيل المثال جسم الإنسان، الموقد، المصباح الكهربائي، إلخ. ولكن كلما ارتفعت درجة حرارة الجسم، كلما زادت الطاقة التي ينقلها عن طريق الإشعاع. وفي هذه الحالة، تمتص هذه الأجسام الطاقة جزئيًا وتنعكس جزئيًا. عندما يتم امتصاص الطاقة، تسخن الأجسام بشكل مختلف، اعتمادًا على حالة السطح.
الأجسام ذات السطح الداكن تمتص وتبعث الطاقة بشكل أفضل من الأجسام ذات السطح الفاتح. وفي الوقت نفسه، تبرد الأجسام ذات السطح الداكن بالإشعاع بشكل أسرع من الأجسام ذات السطح الفاتح. على سبيل المثال، تحتفظ الغلاية ذات الألوان الفاتحة بالماء الساخن لفترة أطول. درجة حرارة عاليةمما كانت عليه في الظلام.