محتويات
يسخن وعاء فلزي موضوع على موقد بطريقة
يسخن وعاء فلزي موضوع على موقد بطريقة التوصيل.
يسخن وعاء فلزي موضوع على موقد بالتوصيل من خلال تلامس مادة مع مادة أخرى فتنتقل الحرارة من هذه المادة إلى الأخرى، مما يؤدي إلى سخونة الوعاء الفلزي وهي خاصية في الفلزات تسمى التوصيل.
كما أن الفلزات من المواد ذات الموصلية الحرارية الجيدة هناك مواد لا تستطيع أن تمتص الحرارة من مادة أخرى لذلك إذا وضعت إناء مصنوع منها على الموقد فلا تسخن لأنها تكون عازلة.
درجة الحرارة التي تحتاجها المادة حتى تسخن وحتى يتم نقلها إليها ما هي إلا مقياس للتعبير عن الطاقة الحركية في المادة المصنوع منها الإناء، حيث أنه كلما زادت الطاقة الحركية كلما زادت درجة الحرارة الداخلية وزادت درجة الحرارة التي يحتاجها الإناء للتوصيل، هذه الخاصية هي التوصيل، وبسبب هذه الخاصية استخدمت الفلزات في الكثير من التطبيقات والصناعات التي تعتمد فقط على التوصيل الحراري للفلزات.
ما هو التوصيل
هو عملية نقل الطاقة من مادة إلى أخرى.
التوصيل أو الموصلية هو عبارة عن عملية نقل الطاقة الحرارية أو الكهربية من مادة إلى أخرى وذلك من خلال التلامس فيما بينهما والاتصال الجسدي للجزيئات والذي يسمح بنقل الطاقة.
تعتمد هذه الخاصية على الطاقة الحركية التي توجد بين الجزيئات لكل مادة منهما، فكلما زادت الطاقة الحركية بين الجزيئات العشوائية كلما ارتفعت درجة حرارة المادة، وإذا تلامست المادة مع مادة أخرى فإن هذه الطاقة تنتقل إليها.[1][2]
كيفية انتقال الحرارة وحدوث التوصيل
تنتقل الحرارة من جسم لاخر عن طريق الطاقة الحركية والتلامس المباشر بين الجزيئات.
حيث تنتقل الحرارة من المادة الأعلى في السخونة أي المادة التي تمتلك طاقة حركية أعلى من الأخرى، إلى المادة الأقل في السخونة فيحدث التوصيل مما يؤدي إلى تسخين المادة الأخرى.
ذلك من أجل توزيع الحرارة بين الجزيئات المختلفة والمثال على ذلك عندما نضع الإناء على النار فإن جزيئات اللهب تنقل حرارتها إلى الإناء والإناء ينقل حرارته إلى الماء، مما يجعل جزيئات الماء بسبب تلامسهم مع بعضهم البعض تنقل الحرارة فيما بينهم.[2]
السبب في أن الفلزات موصلات جيدة للحرارة
الإلكترونات الحرة الموجودة فيها.
السبب في أن الفلزات موصلات جيدة للحرارة أنها تحتوي على إلكترونات حرة وهذه الإلكترونات تتميز بالتدفق الحر في شبكة الفلز مما يجعلها تكون فيما بينها طاقة حركية بسبب التصادم بينها وبين بعضها.
هذا يحدث فقط في الفلزات وذلك بسبب وجود إلكترونات التكافؤ وخاصة عند التفاعل مع معادن أخرى وتكوين السبائك مما يؤدي إلى وجود إلكترونات أكثر، وهذا لا يحدث في الروابط التساهمية لأنها تحتوي على جزيئات ولا تحتوي على إلكترونات حرة يمكن من خلالها إنشاء طاقة ومن ثم توصيل حرارة.[3]
من أفضل الفلزات الموصلة للحرارة
- الماس.
- الفضة.
- النحاس.
- الذهب.
- التنجستين.
- الجرافيت.
هناك فلزات موصلة للحرارة بشكل جيد وتعتبر هي من أفضل موصلات الحرارة، والتي منها:
الماس: يأتي الماس في أول القائمة من حيث أفضل موصلات الحرارة، وكما نعلم أن الناس من أفضل الموصلات فإن الماس يفوق النحاس في التوصيل بخمس مرات، ويعتبر الماس من أكثر المواد تصنيعًا واستخدامًا في الولايات المتحدة الأمريكية، حيث يدخل بشكل أساسي في تصنيع الإلكترونيات نظرًا لدقتها.
الفضة: تستطيع الفضة أن توصل الحرارة بمعدل 429 واط/ك.م، وهي ثاني أفضل الموصلات، ونظرًا لتوافرها تعتبر من أكثر المواد استخدامًا وخاصة في الإلكترونيات والمواد الدقيقة، وما يسهل استخدامها أيضًا سهولة طرق الفضة وتشكيلها ومن ثم سهولة استخدامها.
النحاس: يعتبر النحاس من أكثر الموصلات المستخدمة على مستوى العالم وذلك بسبب حفاظه على الحرارة بشكل فعال، كما أن له نقطة انصهار عالية ومعدل تآكل معتدل، مما يجعله أكثر الفلزات مثالية من أجل الاستخدام في التوصيل.
الذهب: الذهب له قدرة على توصيل الحرارة بمعدل 318 واط/ك.م، وهو من الفلزات الثمينة وباهظة الثمن لذلك لا يستخدم بكثرة في الأجهزة من أجل التوصيل، لكن يستخدم في الحلي بكثرة على عكس النحاس والفضة الذين هم أساس صناعة الأجهزة.[4]
تطبيقات على الموصلية الحرارية
- الأجهزة الإلكترونية.
- الأسلاك الكهربائية.
- تصميم الهياكل.
- أجهزة الطهي.
تدخل الفلزات والمعادن الموصلة في تصنيع العديد من الأجهزة، ومنها:
الأجهزة الإلكترونية: تدخل العديد من الفلزات في تركيب الاجهزة وخاصة الإلكترونيات والتي تحتاج إلى قطع دقيقة حتى يتم توصيل الكهرباء والحرارة أليه من أجل تشغيلها والعمل بكل سلاسة، وهي من أهم التطبيقات على الموصلية الحرارية.
الأسلاك الكهربائية: لا يمكن توصيل الكهرباء بدون أسلاك ولا يمكن أن تعمل الأسلاك بدون وجود موصلات قوية تقوم بتوصيل الحرارة أولًا ومن ثم الكهرباء، مثل أسلاك النحاس التي لا يمكن الاستغناء عنها فهي أصل الأسلاك الكهربائية.
تصميم الهياكل: كما تقوم الفلزات الموصلة للحرارة بتوصيل الحرارة، فإن لها أدوارًا أخرى تتمثل في صنع الهياكل وتصميمها، مثل الرصاص الذي يتم استخدامه في تصميم وصنع البطاريات وذلك من أجل الأمن والكفاءة.
أجهزة الطهي: تدخل الفلزات الموصلة أيضًا في صناعة اجهزة الطهي بصورة أساسية، فلا يمكن توصيل الحرارة للأواني دون استخدام المواد المعدنية الموصلة، وذلك لأنها تسمح بطهي الطعام بالتساوي أي توزيع الحرارة بين جزيئات الطعام بالتساوي مما يؤدي إلى نضجه.[3]
من المعادن المنخفضة في الموصلية
- الفولاذ المقاوم للصدأ.
- الألومنيوم.
- البرونز.
- الفولاذ الكربوني.
كما أن هناك موصلات جيدة للغاية للحرارة والكهرباء، فإن هناك مواد منخفضة في الموصلية، ومن هذه المواد:
الفولاذ المقاوم للصدأ: يعتبر الفولاذ المقاوم للصدأ هو ادنى معدن في الموصلية الحرارية حيث يستطيع أن ينقل الحرارة بمعدل 15 واط فقط، ورغم أن الفولاذ يوجد منه أنواع كثيرة إلا أن هذا النوع هو أقل الأنواع في توصيل الحرارة ورغم هذا له فوائد كثيرة.
الألومنيوم: يستطيع الألومنيوم في صورته النقية أن يوصل الحرارة بمعدل 235 واط/ك.م، ورغم هذا فإن موصليته الحرارية ضعيفة أو لنقل جيدة مقارنة بالفولاذ، وبسبب هذا يتم إدخاله في سبائك من أجل زيادة قدرته على التوصيل الحراري.
البرونز: هو عبارة عن سبيكة تتكون من النيكل والألومنيوم والنحاس، وتتراوح قدرتها على التوصيل من 50 واط: 120 واط/ك.م، وتعتمد هذه الدرجة على كمية النحاس الموجودة فيها، ولكن مقارنة بالمواد الاخرى فإن البرونز من المواد ذات الموصلية الحرارية القليلة.
فوائد المعادن منخفضة الموصلية
- الاحتفاظ بالحرارة.
- عدم نقل الحرارة.
- الأجهزة المطبخية.
- الاستخدام في أساسات الصناعة.
رغم أن هناك بعض المواد المنخفضة في خصائصها التوصيلية، إلا أن لها فوائد متعددة، منها:
الاحتفاظ بالحرارة: تحتفظ المواد ذات الموصلية الحرارية القليلة بالحرارة لفترة طويلة، لذلك يتم استخدامها في الكثير من الأجهزة مثل الأجهزة الطبية التي تعتمد بشكل كبير على هذه الخاصية.
عدم نقل الحرارة: تستطيع المواد ذات القيم المنخفضة في الموصلية الحرارية إلى منع نقل الحرارة منها مما يساعد على أن تبقى المادة مستقرة لأطول وقت ممكن، مما يجعلها تستخدم في صناعة الواجهات نظرًا لثباتها واستقرارها وعدم تأثرها بالحرارة بسهولة، مثل الفولاذ والذي يعد مثالًا رائعًا على هذه الفائدة.[5]
