رسانش گرمایی

گرما به دلیل اختلاف دما از جسمی با دمای بیشتر به جسم با دمای کمتر انتقال می یابد و این انتقال تا وقتی ادامه می یابد که دو جسم هم دما شوند و اصطلاحا به تعادل گرمایی برسند. انتقال گرما به سه صورت متفاوت انجام می شود: رسانش گرمایی و همرفت و تابش گرمایی.

رسانش گرمایی

در انتقال گرما از طریق رسانش ، گرما از درون خود جسم شارش می کند. به عنوان مثال اگر انتهای قاشق فلزی که درون ظرف روی اجاق روشن بوده است،  را با دست بگیریم، داغی آن را احساس می کنیم.  همچنین مشاهده کردیم که دسته همان ظرف که فلزی نبوده است، خیلی داغ نشده است.

در واقع فلزات رسانای گرمایی هستند و اجسامی مانند پارچه، چوب، پلاستیک، هوا و…رسانای ضعیف گرما هستند. مثال دیگر لمس کردن یک میز فلزی و یک میز چوبی که در گرمای تابستان در معرض تابش نور خورشید قرار داشتند، است. میز فلزی گرم تر احساس می شود.

تفاوت رسانش گرمایی در فلزات و نافلزات

اما چرا رسانش گرمایی در فلزات بیشتر از نافلزات است؟ در نافلزات، رسانش گرمایی به علت ارتعاش اتم ها اتفاق می افتد. یعنی هر اتم به علت دریافت گرما نوسان می کند و اتم های مجاور خود را نیز به ارتعاش در می آورد.

 اما در فلزات علاوه بر این ارتعاش اتم ها، الکترون های آزاد هم در انتقال گرما نقش دارند. در واقع این الکترونهای آزاد در اثر دریافت گرما، سرعت می گیرند و به الکترونهای دیگر و اتم ها (یون های مثبت) برخورد می کنند و به این ترتیب، رسانندگی گرمایی فلزات را افزایش می دهند. نقش الکترون های آزاد در رسانش گرما در فلزات بیشتر از ارتعاش های اتمی است.

مثال ها

مثال ۱: موهای خرس قطبی تو خالی هستند. این موضوع چه نقشی در گرم نگه داشتن بدن خرس در سرمای قطب دارد؟

پاسخ:

موهای سفید خرس قطبی، فقط قسمت های مرئی و فروسرخ نور خورشید را مانند یک فیبر نوری، پس از بازتاب های مکرر درون مو به پوست منتقل می کند. در آنجا نور جذب پوست می شود و بدین ترتیب دمای بدن خرس افزایش می یابد.  اما گرمای حاصل در پوست نسبتا حفظ می شود، زیرا موها توخالی هستند و مانند لوله های توخالی رساننده ضعیف گرما هستند.

مثال ۲: اگر شما یک تیر چوبی و یک لوله فلزی سرد را که هم دما هستند لمس کنید، چرا حس می کنید که لوله سردتر است؟ چرا ممکن است دست شما به لوله بچسبد؟

پاسخ:

احساس اینکه یک جسم چقدر سرد است به آهنگ رسانش گرما از دستان شما به جسم بستگی دارد.  فلز رساننده گرمای بهتری از چوب است و در نتیجه گرما از دست شما با آهنگ بیشتری به لوله فلزی شارش می کند و لوله سردتر به نظر می رسد.  انگشتان به این دلیل می توانند به یک سطح فلزی سرد بچسبند که رطوبت روی پوست می تواند به صورت دندانه های ریزی روی سطح فلز یخ بزند.

مثال ۳: یک نوار باریک کاغذی را دور یک میخ، یا یک میله، یا لوله ای فلزی طوری بپیچید که حلقه های نوار کاغذی پیچیده شده دور فلز، روی هم افتادگی نداشته باشند و خیلی محکم روی فلز پیچیده شده باشند. اکنون فلز را طوری روی شعله شمع بگیرید که شعله به نوار کاغذی بخورد. کاغذ از دود شعله سیاه می شود، ولی تا وقتی که میخ یا میله کاملاً داغ نشود، نمی سوزد. ولی اگر در این تجربه به جای فلز از میله شیشه ای استفاده کنید، نتیجه آزمایش متفاوت خواهد بود. چرا؟

پاسخ:

میخ یا میله آهنی رسانندگی گرمایی بالایی دارد.  گرما از نوار کاغذی به میخ یا میله آهنی انتقال می یابد و به سرعت به کل میخ یا میله می رسد و در نتیجه از رسیدن کاغذ به دمای اشتعال جلوگیری می کند.  استفاده از مس نتیجه بهتری به دست می دهد، زیرا رسانندگی گرمایی مس بیشتر از رسانندگی گرمایی آهن است و با سرعت بیشتری گرما را از کاغذ به میخ یا میله انتقال می دهد. رسانندگی گرمایی شیشه بسیار کم است و نمی تواند گرما را به سرعت زیاد از کاغذ به میله شیشه ای برساند و بنابراین کاغذ به سرعت به دمای اشتعال می رسد و آتش می گیرد.

مثال ۴: یک پالتو چگونه شما را گرم نگه می دارد؟ چرا استفاده از چند لباس زیر پالتو این عمل را تشدید می کند؟

پاسخ:

در مورد رسانش گرمایی، پالتو می تواند یک لایه هوا در اطراف بخشی از بدن شما ایجاد کند که چون انتقال گرما از طریق هوا نسبتاً کم است، این لایه به عایق بندی شما کمک می کند. پوشیدن چند لباس در زیر پالتو این عمل را تشدید می کند، زیرا در این صورت چند لایه هوا شما را عایق بندی می کند.

مثال ۵: پس از پخته شدن شیرینی در فر، هنگامی که می خواهید سینی را بیرون آورید، از یک پوشش استفاده می کنید تا به دستتان جراحتی وارد نشود. با آنکه دمای سینی و دمای هوای داخل فر یکسان است (به تعادل رسیده اند)، چرا هوای داخل فر دستتان را نمی سوزاند ولی سینی فلزی می سوزاند؟

پاسخ:

چون فلزات رسانایی گرمایی بیشتری دارند ولی هوا رسانای ضعیف گرما است. سینی فلزی خیلی سریع گرما را به دست انتقال می دهد و موجب آسیب به پوست می شود.

با توجه به اینکه بخش فرمول انتقال گرما از طریق رسانش از کتاب درسی ( از سال تحصیلی ۹۸-۹۹) حذف شده است، از گفتن این قسمت صرف نظر کردیم.

---

---