مبادله گرما: انتقال انرژی گرمایی بین اجسام با دماهای متفاوت

مبادله‌ی گرما: سفری برای رسیدن به تعادل

گرما و دما: دو مفهوم جداگانه اما مرتبط

پیش از پرداختن به مبادله‌ی گرما، باید دو مفهوم کلیدی را از هم تفکیک کنیم. دما⁸ معیاری است برای سنجش میزان گرمی یا سردی یک جسم. می‌توان آن را میزان جنبش و لرزش ذرات (اتم‌ها و مولکول‌ها) تشکیل‌دهنده‌ی جسم دانست. هرچه ذرات تندتر حرکت کنند، دمای جسم بالاتر است. گرما⁹ اما شکل خاصی از انرژی است؛ انرژی ای که به‌خاطر تفاوت دما بین دو جسم جریان می‌یابد. یک فنجان چای داغ، گرمای زیادی دارد زیرا مولکول‌های آن پرانرژی و در حال لرزش شدید هستند. وقتی این فنجان را لمس می‌کنی، دمای بالای آن را حس می‌کنی. گرما همیشه از ناحیه با دمای بالاتر به ناحیه با دمای پایین‌تر جریان می‌یابد و این جریان تا هنگامی که دو جسم به دمای یکسان—یعنی تعادل دمایی—برسند، ادامه دارد.

سه مسیر اصلی سفر گرما

گرما می‌تواند از سه طریق مختلف منتقل شود. هر کدام از این روش‌ها در موقعیت‌های خاصی غالب هستند.

رسانش: انتقال انرژی از ذره به ذره

رسانش³ در جامدات—به‌ویژه فلزات—به‌خوبی رخ می‌دهد. تصور کن یک میله‌ی فلزی را از یک طرف حرارت می‌دهی. انرژی گرمایی، ذرات (اتم‌ها) آن سر میله را به لرزش سریع‌تر وامی‌دارد. این ذرات پرانرژی به ذرات مجاور خود برخورد کرده و مقداری از انرژی خود را به آن‌ها منتقل می‌کنند. این فرآیند به‌تدریج در طول میله ادامه می‌یابد تا اینکه سر دیگر میله نیز گرم می‌شود. به این ترتیب، گرما هدایت شده است، بدون آنکه خود ماده جابه‌جا شود. رسانایی گرمایی⁶ خاصیتی از مواد است که نشان می‌دهد چقدر خوب گرما را از خود عبور می‌دهند. مواد با رسانایی بالا (مانند مس و آلومینیوم) را هادی‌های خوب و مواد با رسانایی پایین (مانند چوب، پلاستیک، پشم شیشه) را عایق‌های خوب یا نارسانا می‌نامیم.

همرفت: رقص چرخشی سیالات گرم و سرد

همرفت⁴ روش اصلی انتقال گرما در مایعات و گازها (سیالات) است. این روش شامل حرکت فیزیکی خود ماده‌ی گرم شده است. وقتی قسمتی از یک سیال گرم می‌شود، منبسط شده و چگالی آن کم می‌شود. در نتیجه، این بخش سبک‌تر به سمت بالا حرکت می‌کند. بخش‌های سردتر و چگال‌تر سیال جای آن را می‌گیرند و خود آن‌ها گرم می‌شوند. این چرخه یک جریان همرفتی ایجاد می‌کند. جوشیدن آب در کتری نمونه‌ی کامل همرفت است: آب نزدیک کف کتری گرم شده، بالا می‌آید و آب سردتر جایگزین آن می‌شود. همین پدیده در مقیاس بزرگ‌تر، بادها و جریان‌های اقیانوسی را به وجود می‌آورد که نقش حیاتی در تنظیم آب‌وهوای کره‌ی زمین دارند.

تابش: سفر گرما در فضای خالی

تابش⁵ تنها روشی است که برای انتقال گرما به هیچ محیط مادی (مولکول یا اتم) نیاز ندارد. در این روش، انرژی گرمایی به شکل امواج الکترومغناطیسی (عمدتاً امواج مادون قرمز) از منبع ساطع می‌شود و وقتی به جسم دیگری برخورد کند، جذب شده و دوباره به انرژی گرمایی تبدیل می‌گردد. هر جسمی که دمایش بالاتر از صفر مطلق ($-273.15$ درجه سلسیوس) باشد، از خود تابش می‌فرستد. هرچه جسم داغ‌تر باشد، میزان تابش آن بیشتر است. گرمای خورشید که از فضای تقریباً خالی به زمین می‌رسد، نتیجه‌ی همین پدیده است. همچنین، وقتی نزدیک آتش می‌ایستی، گرما را بیشتر از طریق تابش آن حس می‌کنی تا از طریق گرمایش هوای اطراف.

کاربردهای هوشمندانه و کنترل مبادله‌ی گرما

بشر با درک اصول انتقال گرما، یاد گرفته است که آن را به نفع خود کنترل کند. این کنترل یا برای افزایش انتقال گرما است یا برای کاهش آن.

افزایش انتقال گرما: در رادیاتور ماشین از آب (یک سیال) استفاده می‌شود تا با جریان همرفتی، گرمای موتور را به رادیاتور منتقل کند. پره‌های رادیاتور سطح تماس با هوا را زیاد می‌کنند تا انتقال گرما از طریق رسانش و همرفت به هوا سریع‌تر شود. در ماهی‌تابه‌های مسی نیز، مس به‌عنوان یک هادی عالی، گرما را به سرعت و یکنواخت در سراسر ظرف پخش می‌کند.

کاهش انتقال گرما (عایق‌بندی): دیوارهای دو جداره با لایه‌ای از هوای ساکن (که عایق خوبی است) در میان، از هدررفت گرما از طریق رسانش و همرفت جلوگیری می‌کنند. لباس‌های زمستانی با ایجاد لایه‌های هوا در بین الیاف، بدن را گرم نگه می‌دارند. پوشش نقره‌ای روی فلاسک‌های گرمایی نیز با بازتاباندن تابش گرمایی، از اتلاف گرما به این روش می‌کاهد.

پرسش‌های رایج و تصورات غلط

پاورقی

¹ مبادله گرما (Heat Exchange)
² تعادل دمایی (Thermal Equilibrium)
³ رسانش (Conduction)
⁴ همرفت (Convection)
⁵ تابش (Radiation)
⁶ رسانایی گرمایی (Thermal Conductivity)
⁷ عایق (Insulator)
⁸ دما (Temperature)
⁹ گرما (Heat)