رسانای گرما: ناجیان نامرئی انتقال دما
رسانایی گرمایی چیست؟
تصور کنید یک قاشق فلزی را داخل یک فنجان چای داغ قرار میدهید. پس از چند لحظه، دستهٔ قاشق نیز گرم میشود. این اتفاق به این دلیل رخ میدهد که فلز، یک رسانای گرما۱ عالی است. رسانایی گرمایی، توانایی یک ماده برای انتقال انرژی گرمایی از قسمت گرمتر به قسمت سردتر خود است. ذرات تشکیلدهندهٔ ماده (اتمها و مولکولها) دائماً در حال لرزش هستند. وقتی یک قسمت از ماده گرم میشود، این لرزشها شدیدتر شده و این انرژی لرزشی به ذرات مجاور منتقل میشود. این انتقال انرژی، دقیقاً همان چیزی است که ما آن را به عنوان "گرما" احساس میکنیم.
دستهبندی مواد از نظر رسانایی گرمایی
مواد را میتوان از نظر توانایی انتقال گرما به دو دستهٔ اصلی تقسیم کرد:
| نوع ماده | توضیح | مثالهای ملموس |
|---|---|---|
| رسانای گرما | موادی که گرما را به سرعت و به آسانی از خود عبور میدهند. | قاشق و تابههای فلزی، رادیاتور شوفاژ، سیمهای برق |
| نارسانای گرما۲ | موادی که گرما را به کندی و با دشواری از خود عبور میدهند. به این مواد عایق گرمایی۳ نیز میگویند. | دستهگیرهٔ قابلمه (پلاستیکی یا چوبی)، لباس پشمی، شیشهٔ پنجرهٔ دوجداره |
فلزات؛ قهرمانان دنیای رسانایی
در بین تمام مواد، فلزات بهترین رسانای گرما هستند. اما چرا؟ ساختار اتمی فلزات به گونهای است که الکترونهای آزاد دارند. این الکترونها میتوانند به راحتی در بین اتمها حرکت کنند و مانند پیکهای سریع، انرژی گرمایی را از یک نقطه به نقطهٔ دیگر ماده منتقل کنند. این مکانیسم بسیار کارآمدتر از انتقال انرژی تنها از طریق لرزش اتمها است.
همهٔ فلزات به یک اندازه رسانا نیستند. جدول زیر رسانایی چند فلز رایج را نشان میدهد (به صورت نسبی و با فرض رسانایی نقره = 100).
| نام فلز | میزان رسانایی نسبی | یک کاربرد بر اساس رسانایی |
|---|---|---|
| نقره | 100 | ساخت قطعات الکتریکی بسیار حساس |
| مس | 92 | سیمهای برق و لولهکشی آب گرم |
| طلا | 70 | پوششدهی قطعات الکترونیکی برای جلوگیری از زنگزدگی |
| آلومینیوم | 50 | بدنهٔ رادیاتور خودرو و قاب پنجره |
| آهن | 15 | اجاقگاز و وسایل آشپزخانه |
رساناهای گرمایی در خدمت انسان
ما از رساناهای گرما به شکلهای مختلف و هوشمندانهای در زندگی استفاده میکنیم. در آشپزخانه، تهقابلمهها و تابهها از جنس مس یا آلومینیوم ساخته میشوند تا حرارت اجاق را به سرعت و به طور یکنواخت به تمام غذا منتقل کنند. رادیاتورهای شوفاژ از فلز ساخته شدهاند تا گرمای آب داغ داخل خود را به خوبی به هوای اتاق برسانند. حتی در لپتاپ شما نیز یک قطعهٔ مسی یا آلومینیومی به نام "هیتسینک"۴ وجود دارد که گرما را از پردازندهٔ داغ گرفته و با کمک یک فن، در هوا پخش میکند تا دستگاه شما بیش از حد داغ نکند.
اشتباهات رایج و پرسشهای مهم
خیر. احساس سردی یا گرمی یک جسم به رسانایی گرمایی آن مربوط میشود. وقتی دستتان را به یک میز چوبی و یک میز فلزی در یک اتاق لمس میکنید، میز فلزی سردتر به نظر میرسد. دلیلش این است که فلز، گرما را به سرعت از دست شما میگیرد و منتقل میکند، در حالی که چوب این کار را به کندی انجام میدهد. پس هر دوی آنها دمای یکسانی دارند، اما فلز به دلیل رسانایی بالاتر، حس سردی ایجاد میکند.
خیر، آب در مقایسه با فلزات، رسانای ضعیفی برای گرما است. اگر ته یک لیوان آب سرد را حرارت دهید، ممکن است چند دقیقه طول بکشد تا سطح آب گرم شود. این کندی در انتقال گرما، دلیل پختن غذا با روش "آبپز کردن" است که حرارت ملایم و یکنواختی به غذا میرسد.
برای ایمنی و جلوگیری از سوختگی! اگر دستهی قابلمه از جنس فلز بود، وقتی قابلمه روی حرارت است، دسته آن نیز بسیار داغ میشد و گرفتن آن غیرممکن بود. با استفاده از مواد نارسانا مانند پلاستیک یا چوب، گرما به دسته منتقل نمیشود و ما میتوانیم با خیال راحت آن را برداریم.
پاورقی
۱رسانای گرما (Thermal Conductor): مادهای که گرما را به خوبی از خود عبور میدهد.
۲نارسانای گرما (Thermal Insulator): مادهای که گرما را به خوبی از خود عبور نمیدهد.
۳عایق گرمایی (Heat Insulator): مترادف نارسانای گرما.
۴هیتسینک (Heat Sink): قطعهای که برای دفع گرمای generated (تولیدشده) توسط یک وسیلهٔ الکترونیکی به کار میرود.
