عندما ندرس عمليات نقل الحرارة التي تحدث في جسمين بدرجات حرارة مختلفة ، نحن نجري دراسة نوعية لانتقال الحرارة التي يمكن أن تحدث عن طريق التوصيل والإشعاع و الحمل. ومع ذلك ، عندما نقوم بهذا النوع من الدراسة ، فإننا لا نهتم بتحديد قيمة كمية الحرارة التي تنتقل من جسم إلى آخر. سوف نتعلم بعد ذلك كيفية حساب كمية الحرارة المتضمنة في عمليات التوصيل والإشعاع.
القيادة
تدفق الحرارة بين جسمين
دعونا نفكر في جسمين بدرجات حرارة مختلفة T1 و ت2، يجري T2> ت1. إذا قمنا بربط هذين الجسمين بقضيب معدني من قسم موحد A وطول L ، فسيحدث توصيل الحرارة من الجسم الأكبر. درجة الحرارة لأدنى جسم درجة حرارة ، وتحديد أن Q هي كمية الحرارة التي تمر عبر الشريط في نطاق معين من الوقت Δt. يتم استدعاء الحاصل بين كمية الحرارة والفاصل الزمني تدفق الحرارة، الذي يمثله الحرف اليوناني fi (Φ) ويمكن كتابته رياضياً على النحو التالي:
إذا كان الشريط المعدني الذي يربط الجسمين محاطًا بعازل ، فيتم التحقق من أنه بعد وقت معين يصل هذا الشريط إلى الوضع المسمى حالة مستقرة، والتي تتميز بوجود نفس تدفق الحرارة في أي نقطة على الشريط. نتيجة لهذه الحقيقة ، يصل الشريط إلى درجة حرارة ثابتة في جميع أنحاء الشريط ، ولا تتغير بمرور الوقت.
من الناحية التجريبية ، من الممكن التحقق من أن تدفق الحرارة هو:
• يتناسب طرديًا مع مساحة مقطع الشريط الذي يربط بين الهيئتين ؛
• يتناسب طرديا مع اختلاف درجات الحرارة بين الجسمين.
• يتناسب عكسياً مع طول الشريط الذي ينضم إلى الهيئات.
بضم هذه الشيكات الثلاثة وإدخال ثابت التناسب ، يمكننا كتابة المعادلة الرياضية التالية:
حيث K هي خاصية ثابتة للمادة التي يتكون منها الشريط ويسمى توصيل حراري. كلما زادت قيمة هذا الثابت ، زاد تدفق الحرارة الذي يمر به الشريط.
إشعاع
نحن نعلم أن انتقال الحرارة عن طريق التوصيل والحمل الحراري يتطلب وجود وسط مادي من أجل حدوثه. مع عملية الإشعاع ، يحدث العكس ، أي أن هذه العملية لا تحتاج إلى وسيلة من أجل يحدث انتقال الحرارة بين جسمين ، على سبيل المثال ، انتقال الحرارة بين الشمس و أرض.
بشكل عام ، عندما يتلقى الزجاج قدرًا معينًا من الطاقة المشعة ، على سبيل المثال ، إشعاع الشمس ، يمتص الجسم بعضًا من هذا الإشعاع وينعكس الباقي. نحن نعلم أن الأجسام المظلمة لديها القدرة على امتصاص المزيد من الطاقة المشعة من الأجسام الخفيفة.
خذ بعين الاعتبار جسمًا يحتوي سطحه الخارجي على المنطقة أ ، والذي ينبعث من تلك المنطقة إجمالي إشعاع القدرة P ، وهي الطاقة المشعة لكل وحدة زمنية على الإطلاق سطح - المظهر الخارجي. العلاقة الرياضية التالية تسمى الإشعاع أو القوة الانبعاثية (R) للجسم:
لا تتوقف الان... هناك المزيد بعد الإعلان ؛)
R = P / A
ووحدتها في النظام الدولي للوحدات هي W / m2.
ومع ذلك ، في منتصف القرن العشرين ، اكتشف العلماء النمساويون ج. ستيفان ول. توصل بولتزمان ، تجريبيا ، إلى استنتاج مفاده أن يتناسب إشعاع الجسم مع القوة الرابعة لدرجة حرارته بوحدة كلفن ، أي R = σT4. حيث يسمى σ ثابت ستيفان بولتزمان ويثبت عند SI σ = 5.67 × 10-8W / م2ك4. تم التحقق من ذلك لجسم حقيقي ، أي أجسام تمتص أو تعكس الإشعاع بالكامل. عندما يكون الجسم غير حقيقي ، تتم إضافة المعادلة التي وصفها Stefan-Baltzmann بواسطة ثابت يسمى emissivity ، والذي يبدو كالتالي: R = еσT4. هذا هو قانون ستيفان بولتزمان ومن خلالها يمكننا حساب إشعاع أي جسم عندما نعرف درجة حرارته وانبعاثه.
بقلم ماركو أوريليو دا سيلفا
فريق مدرسة البرازيل
علم الحرارة - الفيزياء - مدرسة البرازيل
هل ترغب في الإشارة إلى هذا النص في مدرسة أو عمل أكاديمي؟ نظرة:
سانتوس ، ماركو أوريليو دا سيلفا. "الدراسة الكمية لانتقال الحرارة" ؛ مدرسة البرازيل. متوفر في: https://brasilescola.uol.com.br/fisica/estudo-quantitativo-transferencia-calor.htm. تم الوصول إليه في 27 يونيو 2021.
