لماذا نشعر ببرودة المعدن أكثر من الخشب في نفس درجة الحرارة؟

برودة المعدن

هل سبق لك أن تساءلت لماذا نشعر ببرودة المعدن أكثر من الخشب في نفس درجة الحرارة؟ أو لماذا تبدو الكعكة أقل سخونة من قالب الكيك الذي تم طهيها فيه؟ تكمن الإجابة في علم التوصيل الحراري، وهو أكثر روعة مما تعتقد. في هذه المقالة، سوف نفهم هذه الظاهرة بالتفصيل.

محتويات المقال :

ما تشعر به ليس دائمًا ما تحصل عليه

هل سبق لك أن تساءلت لماذا يبدو المعدن أكثر برودة من الخشب، حتى عندما يكونان في نفس درجة الحرارة؟ إنها ظاهرة شائعة حيرت الناس لفترة طويلة. وتكمن الإجابة في الطريقة التي تدرك بها أدمغتنا درجة الحرارة. عندما نلمس شيئًا ما، فإننا لا نشعر فعليًا بدرجة حرارته، بل نشعر بمعدل انتقال الحرارة بعيدًا عن الجسم أو نحوه.

وهذا يعني أن إحساسنا بدرجة الحرارة ليس دائمًا قياسًا موضوعيًا لدرجة الحرارة الفعلية. وبدلاً من ذلك، فهي تتأثر بعوامل مختلفة، بما في ذلك التوصيل الحراري للمادة، وكثافتها، وحتى درجة حرارة الجسم.

على سبيل المثال، عندما تلمس مقبض باب معدني في يوم بارد، قد تشعر ببرودة قارصة، حتى لو كانت درجة حرارة المعدن هي نفس درجة حرارة الهواء المحيط به. وذلك لأن المعدن يتمتع بموصلية حرارية عالية، مما يعني أنه يمكنه نقل الحرارة بكفاءة بعيدًا عن جسمك، مما يجعله يشعر بالبرودة أكثر مما هو عليه بالفعل.

الموصلية الحرارية هي مفهوم أساسي يفسر لماذا يبدو المعدن أكثر برودة من الخشب، حتى عندما يكونان في نفس درجة الحرارة. لا يتعلق الأمر بدرجة الحرارة الفعلية، بل يتعلق بمدى كفاءة المادة في توصيل الحرارة. بعبارات بسيطة، التوصيل الحراري هو قدرة المادة على نقل الطاقة الحرارية من نقطة إلى أخرى.

من ناحية أخرى، قد يبدو الخشب، ذو الموصلية الحرارية المنخفضة، أكثر دفئًا من المعدن، حتى لو كانا في نفس درجة الحرارة. وذلك لأن الخشب أقل كفاءة في نقل الحرارة بعيدًا عن جسمك، مما يؤدي إلى إحساس بالدفء.

علم انتقال الحرارة

لذلك، أثبتنا أن المعدن يمكن أن يكون أكثر برودة أو سخونة من المواد الأخرى بسبب موصليته الحرارية الاستثنائية. ولكن ما الذي يجعل المعدن جيدًا في توصيل الحرارة في المقام الأول؟ تكمن الإجابة في الطريقة التي يتم بها تركيب ذراته وجزيئاته.

لفهم ذلك، دعونا نتعمق في عالم التوصيل الحراري. عندما تمتص المادة الطاقة الحرارية، تتحول تلك الطاقة إلى طاقة حركية، مما يؤدي إلى حركة الذرات. ولكن بما أن الذرات في المواد الصلبة لا تملك مساحة كبيرة للتحرك، فإنها تبدأ في الاهتزاز، وتبدأ الذرات التي تتعرض مباشرة للحرارة في الاصطدام بجيرانها. يثير هذا الاصطدام الذرات المجاورة، وتبدأ هي أيضًا في الاهتزاز. حيث تنتقل الطاقة الحرارية من الجزء الساخن إلى الجزء البارد من المادة.

تفوق المعدن على الخشب والبلاستيك

الآن، فكر في هذا لبعض الوقت، وستبدأ في إدراك أن المعدن له بعض المزايا مقارنة بالخشب، على سبيل المثال، عندما يتعلق الأمر بالتوصيل الحراري. ستكون ذرات وجزيئات المعدن أكثر كثافة من الخشب، مما يجعل من الأسهل بكثير اصطدام المزيد من الجزيئات ببعضها البعض؛ وعلى المنوال نفسه، سيكون للخشب ثقوب حرفيًا، وهي مفيدة لنقل الماء والمواد المغذية من الجذور، ولكنها ليست رائعة لإنشاء سلسلة متصلة من الجزيئات المهتزة.

تلعب حقيقة أن الخشب مركب أيضًا دورًا في انخفاض موصليته، فهو يتكون من السليلوز والهيمسيلولوز والليغنين والتانين، والتي تتحلل بدورها إلى مجموعة كاملة من العناصر بكميات مختلفة اعتمادًا على الشجرة التي حصلت عليها. عندما تواجه الجسيمات هذه التغييرات، فإنها تتشتت وتنحرف عن مسارها، مما يؤدي في الأساس إلى تخفيف التوصيل الحراري عبر المادة.

وما يعطي المعدن أفضلية حقيقية على البلاستيك، على سبيل المثال، وهي مادة يمكن أن يكون لها أيضا هياكل جزيئية منتظمة ومزدحمة بكثافة، وفي الوقت نفسه يكون لها موصلية حرارية منخفضة نسبيا، هو إلكتروناتها الحرة.

بعض الإلكترونات الموجودة في قطعة من المعدن يمكن أن تترك ذراتها وتتحرك في المعدن كإلكترونات حرة. وإن أجزاء الذرات المعدنية المتبقية أصبحت الآن مشحونة بشكل إيجابي وتسمى أيونات المعادن.

وعندما تمتص الإلكترونات الحرة الطاقة الحرارية، فإنها تتحرك بشكل أسرع بكثير. أثناء تحركها عبر المعدن، تصطدم الإلكترونات الحرة بأيونات المعدن. وتمتص الأيونات بعضًا من الطاقة الحركية للإلكترون الحر، ويهتز بشكل أسرع وبسعة أكبر.

تخيل مجموعة من الناس يستقلون مترو أنفاق مزدحم. من المؤكد أنهم يتعرضون للدفع، ولكن بشكل عام، يتطلب الأمر صدمة كبيرة لجعلهم يصطدمون ببعضهم البعض. إنهم جزيئاتنا المادية. الآن تخيل أن كل واحد منهم يحاول التلاعب بمجموعة من كرات تنس الطاولة. ويمكنك أن ترى على الفور أن عدد الاصطدامات سوف يزداد، وينطبق الأمر نفسه عندما تقوم بإدخال إلكترونات حرة إلى نظام ما.

والخلاصة هي أن التوصيل الحراري في المواد التي تحتوي على الإلكترونات الحرة، أي المعادن، أسرع كثيراً من التوصيل الناتج عن مجرد مرور الاهتزازات من ذرة إلى أخرى. ومن ثم فإن التوصيل في المعادن أسرع منه في اللافلزات.

كيف تؤثر الموصلية الحرارية على حياتنا اليومية؟

تلعب الموصلية الحرارية دورًا مهمًا في تجاربنا اليومية. على سبيل المثال، عندما تقوم بالطهي، تستخدم أدوات خشبية لأنها توصل الحرارة ليدك بشكل أبطأ من المواد المعدنية.

في عالم الهندسة المعمارية، يعتبر التوصيل الحراري أمرًا بالغ الأهمية في تصميم المباني. يمكن للمباني ذات الإطارات المعدنية أن تكون أكثر كفاءة في استخدام الطاقة، حيث يمكنها توصيل الحرارة بعيدًا عن الداخل وتقليل الحاجة إلى التدفئة والتبريد. من ناحية أخرى، قد تتطلب المباني ذات الإطارات الخشبية المزيد من العزل للحفاظ على درجة حرارة مريحة.

وحتى في المجال الطبي، فإن التوصيل الحراري له آثاره. على سبيل المثال، غالبًا ما تعتمد المعدات الطبية مثل ميزان الحرارة والأدوات الجراحية على الموصلية الحرارية العالية للمعادن لضمان قراءات دقيقة لدرجة الحرارة ونقل الحرارة بكفاءة.