رسانای گرما: از قاشق داغ تا خانه‌های گرم
گرما چیست و چگونه سفر می‌کند؟
گرما نوعی انرژی است. وقتی به یک جسم گرما می‌دهیم، مولکول‌های آن انرژی بیشتری به دست می‌آورند و تندتر می‌لرزند. این لرزش به مولکول‌های کناری هم منتقل می‌شود و به این ترتیب، گرما در کل جسم پخش می‌شود. به این روش انتقال گرما، رسانایی می‌گویند. برای مثال، وقتی یک سر میله فلزی را روی شعله بگیرید، بعد از چند ثانیه سر دیگر آن هم داغ می‌شود. این اتفاق به این دلیل می‌افتد که گرما از قسمت داغ به قسمت سرد رسانده شده است.
کدام مواد رسانای خوبی هستند؟
همه مواد به یک اندازه گرما را رسانا نمی‌کنند. به طور کلی، فلزات رساناهای بسیار خوبی برای گرما هستند. دلیلش این است که در فلزات، الکترون‌های آزاد زیادی وجود دارند که می‌توانند انرژی گرمایی را خیلی سریع منتقل کنند.
در مقابل، موادی مانند چوب، پلاستیک، هوا و چوب پنبه رسانای بسیار ضعیفی هستند و به آن‌ها نارسانا یا عایق می‌گوییم. این مواد الکترون آزاد ندارند و گرما فقط از طریق لرزش مولکول‌ها و به کندی در آن‌ها منتقل می‌شود.
| نام ماده | وضعیت رسانایی | ضریب رسانایی (W/m·K) | یک مثال روزمره |
|---|---|---|---|
| نقره | عالی | ۴۰۶ | جواهرات، مدارهای الکتریکی |
| مس | بسیار خوب | ۳۸۵ | سیم‌های برق، ظروف آشپزی |
| آهن | خوب | ۸۰ | رادیاتور شوفاژ، تابه |
| شیشه | ضعیف | ۰.۸ | پنجره، لیوان |
| چوب پنبه | عایق عالی | ۰.۰۴ | درب بطری، تخته insulating |
رساناها و نارساناها؛ قهرمانان و شروران دنیای گرما
در دنیای گرما، دو دسته ماده داریم: رساناها و نارساناها (عایق‌ها). انتخاب درست بین این دو برای راحتی و ایمنی ما بسیار مهم است.
رساناها: ما از رساناها در جاهایی استفاده می‌کنیم که می‌خواهیم گرما منتقل شود. دسته قابلمه‌ها از فلز ساخته می‌شوند تا گرما را به خوبی از اجاق به غذا برسانند. رادیاتورهای شوفاژ از فلز ساخته شده‌اند تا گرمای آب داغ داخل خود را به هوای اتاق برسانند.
نارساناها (عایق‌ها): از این مواد در جاهایی استفاده می‌کنیم که نمی‌خواهیم گرما منتقل شود. دسته‌ی قابلمه از پلاستیک یا چوب ساخته می‌شود تا دست ما را نسوزاند. دیوارهای خانه با پشم شیشه یا پلی‌استایرن عایق‌کاری می‌شوند تا در زمستان گرمای داخل به بیرون نرود و در تابستان گرمای بیرون به داخل نیاید.
رسانایی گرما در خدمت انسان: از آشپزخانه تا فناوری فضایی
ما هر روز و در همه جا از مفهوم رسانایی گرما استفاده می‌کنیم. در آشپزخانه، ظروف مسی و آلومینیومی برای پخت‌وپز سریع و یکنواخت عالی هستند. در ساختمان‌سازی، استفاده از عایق‌های مناسب در دیوارها و سقف باعث صرفه‌جویی بسیار زیاد در مصرف انرژی برای گرمایش و سرمایش می‌شود.
در صنعت الکترونیک، از مواد رسانای خوب مثل مس برای ساخت بردهای مدار استفاده می‌شود، اما همچنین نیاز است که گرمای تولید شده توسط قطعات الکترونیکی به سرعت و به کمک هیت سینک1 ها (که معمولاً از آلومینیوم ساخته می‌شوند) دفع شود تا قطعات نسوزند. حتی در فضاپیماها، یک طرف آن که رو به خورشید است بسیار داغ و طرف دیگر بسیار سرد است. مهندسان باید از مواد و عایق‌بندی خاصی استفاده کنند تا دما در داخل کابین برای فضانوردان قابل زندگی باشد.
پرسش‌های متداول و باورهای نادرست
پاورقی
1هیت سینک (Heat Sink): قطعه‌ای، معمولاً از جنس آلومینیوم یا مس، که برای دفع گرمای تولید شده شده توسط قطعات الکترونیکی (مانند پردازنده کامپیوتر) به کار می‌رود. سطح آن برای افزایش سطح تماس با هوا و دفع گرمای بیشتر، پره‌پره است.
2ظرفیت گرمایی ویژه (Specific Heat Capacity): به مقدار گرمایی گفته می‌شود که باید به یک کیلوگرم از یک ماده داده شود تا دمای آن یک درجه سلسیوس (یا کلوین) افزایش یابد. موادی مانند آب و سنگ ظرفیت گرمایی بالایی دارند، یعنی برای گرم شدن به انرژی زیادی نیاز دارند اما وقتی گرم شدند، به آرامی سرد می‌شوند.