انتقال الحرارة

الحمل الحراري 

(أو الحملان) إحدى طرق انتقال الحرارة. ويجري فيها نقل الحرارة من محل إلى آخر عبر تحريك الموائع من مكان إلى آخر.^[1] ومن أمثلة ذلك ما يَحدث في باطن الشمسعندما تنتقل الطاقة من نواتها إلى الفوتوسفير بالحمل الحراري. وتنقسم سبل الحمل الحراري إلى قسمين:

1. حمل طبيعي (بالإنجليزية: Natural Convention‏): وهو ما يحدث دون تدخل الإنسان. مثل: حمل الهواء للحرارة من المكان الحار إلى المكان البارد أثناء تحركه بسبب فرق الكثافة، فإن الغازات الساخنة تقل كثافتها وبالتالي ترتفع إلى أعلى ويحل محلها غازات باردة.
2. حمل جبري أو قسري (بالإنجليزية: Forced Convection‏): حيث تتحرك دقائق المائع الناقل للحرارة حركة قسرية كأن تحركها تيارات قسرية تولدها أجهزة صناعية تعمل على إيجاد فرق في الضغط بين منطقتين في المائع. تعمل حركة المائع القسرية على نقل الحرارة أينما ذهبت كما في النوع الأول، ولكن بطبيعة قسرية. مثل: مروحة التبريد داخل الحاسوب التي تحرك الساخن إلى خارجه ليحل محله هواء بارد.

التوصيل الحراري

 أو انتقال الحرارة بالتوصيل.

يعرف على أنه الانتقال التلقائي للطاقة الحرارية عبر المادة من منطقة ذات درجة حرارة مرتفعة إلى منطقة أخرى ذات درجة حرارة أقل من سابقتها سعياً وراء الوصول إلى تجانس حراري.

غالباً ما نصادف في جملة ما أكثر من نوع لانتقال الحرارة. في انتقال الحرارة, يكون التوصيل (أو توصيل الحرارة) هو عملية انتقال الطاقة الحرارية من خلال انتشار وتصادم مجهري للجسيمات أو أشباه الجسيمات داخل الجسم نتيجة التدرج الحراري. وتضم الجسيمات التي تنتشر وتتصادم مجهريًا الجزيئات والإلكترونات والذرات والفونونات. وتقوم بنقل الطاقة الكامنة والحركية غير المنظمة مجهريًا، اللتين تعرفان معًا باسم الطاقة الداخلية. ويحدث التوصيل في جميع أشكال المادة ذات الوزن، مثل المواد الصلبة والسائلة والغازات والبلازما.

تتدفق الحرارة تلقائيًا عند التوصيل، وكذلك عند الإشعاع الحراري، من جسم درجة حرارته أعلى إلى جسم درجة حرارته أقل. وفي ظل غياب المحفزات الخارجية، يتلاشى الفرق في درجات الحرارة بمرور الوقت ويقترب الجسمان من حالة التوازن الحراري.

عند التوصيل، تتدفق الحرارة من داخل الجسم وعبر الجسم نفسه. وبالعكس، عند انتقال الحرارة بـ الإشعاع الحراري، يكون الانتقال عادة بين جسمين. ويحتمل أيضًا أن تنتقل الحرارة بالجمع بين التوصيل والإشعاع الحراري. وفي انتقال الحرارة بالحمل، تُحمل الطاقة الداخلية بين الأجسام من خلال حامل مادي. ففي المواد الصلبة، يتم التوصيل عن طريق الجمع بين ترددات واصطدامات الجزيئات وعن طريق انتشار وتصادمات الفونونات وعن طريق انتشار وتصادمات الإلكترونات الحرة. أما في الغازات والسوائل، يحد التوصيل نتيجة تصادمات وانتشار الجزيئات أثناء حركتها العشوائية. فالفوتونات في هذا السياق لا تصطدم مع بعضها البعض، ومن ثم يكون انتقال الحرارة بـ الإشعاع الكهرومغناطيسي بعيدًا من الناحية المفاهيمية عن توصيل الحرارة بالانتشار والاصطدام المجهري للجسيمات المادية والفونونات. أما في المادة المكثفة، مثل المواد الصلبة أو السوائل، فإن الفارق بين التوصيل الحراري وانتقال الحرارة بالإشعاع يكون واضحًا في المفهوم الفيزيائي، ولكنه غير واضح في الغالب من ناحية الظواهر، ما لم تكن المادة شبه شفافة. أما مع الغازات فإن الفارق يكون واضحًا من الناحية المفاهيمية ومن ناحية الظواهر.

الاشعاع

 طاقة تطلق في شكل موجات أو جسيمات صغيرة من مادة ما وله أشكال عديدة مثل أشعة الشمس وأشعة الضوء و الأشعة السينية وأشعة غاما والإشعاع الصادر من المفاعلات النووية و الضوء بحد ذاتة إشعاع يطلقه الإلكترونالمرتبط في ذرة.

أنواع الإشعاع:-

نفاذية الأشعة : أشعة ألفا تحجبها ورقة، وأشعة بيتا تحجبها شريحة من الألمونيوم، وأشعة غاما يحجبها لوح من الرصاص.

يفرق  بين الإشعاع على أساس مكوناته وفعالياته.

تتكون الموجات الكهرومغناطيسية من فوتونات.وينتمي إليها الأشعة السينية والأشعة فوق البنفسجية والأشعة تحت الحمراء. والأشعة ذات طول الموجة الطويل تسمى موجات ومنها موجات الراديو أو موجات الرادار، وميكروويف.

وهناك نوع آخر من الإشعاع ويسمى اشعاع جسيمات ويوجد منها العديد ، مثل جسيمات ألفا وجسيمات بيتا - وجسيمات بيتا منها الإلكترون ومنها البوزيترون - كما تسمى بعضها أشعة أيونات ، وهذه تكون ذرات فقدت واحدا أو أكثر من إلكتروناتها، كما توجد أشعة نيوترونات.

وهناك الإشعاع القادم من أعماق الكون مثل الأشعة الشمسية ،والأشعة الكونية وإشعاع الخلفية الميكروني الكوني وأشعاع هوكينغ. كما نعرف الإشعاعات الصادرة منالنشاط الإشعاعي لبعض المواد. كما تتميز بعض المناطق الجيولوجية بإصدارها للإشعاع وهذه تسمى أشعاعت أرضية، وهي ناشئة عن وجود بعض المواد المشعة في صخور تلك الأراضي.

ويبين الفحص أن الأشعاعات الصادرة من النشاط الإشعاعي لبعض المواد ما هي إلا اشعاع جسيمات مثل جسيمات ألفا وجسيمات بيتا زمنها ما هو من نوع الموجات الكهرومغناطيسية مثل أشعة غاما.

وعندما تكون طاقة الأشعة عالية بحيث تستطيع أن تؤين الوسط الذي تمر فيه، أي تستطيع فصل إلكترونات عن ذراتها أو جزيئاتها فهذه تسمى إشعاع مؤين. وينتمي إلى الإشعاعت المؤينة الإلكترونات والبروتونات وجسيمات ألفا وهي جميعها جسيمات ذات شحنة كهربية. كذلك تنتمي إلى الأشعة المؤينة موجات كهرومغناطيسية تحملطاقة عالية، مثل الأشعة السينية وأشعة غاما.

الصوت و الضوء

الإنعكاس

الانعكاس هو تغير في اتجّاه جبهة الموجة (صدر الموجة) عند سطح بيني يفصل بين وسطين بحيث يرتد صدر الموجة إلى الوسط الذي صدر منه.الأمثلة الشائعة لذلك تشمل انعكاس موجات الضوء والصوت والماء. وتقول قوانين الانعكاس في الانعكاس المنتظم أن الزاوية التي تسقط بها الموجة على السطح تساوي الزاوية التي تنعكس بها. وتبرز المرايا ذاك الانعكاس.

أما في الصوتيات، يسبب انعكاس الموجات الصوتيّة على الحوائط والحوائل صدى للصوت، ويستخدم ذلك في السونار. وفي الجيولوجيا، من المهم دراسةالانعكاس في الموجات الزلزالية. ويمكن أيضا رصد انعكاس الموجات السطحية في المسطحات المائية. كما يمكن رصد انعكاس أنواع عديدة من الموجات الكهرومغناطيسية، فضلا عن الضوء المرئي. كما أن انعكاس الترددات الجد عالية VHF والأعلى منها مهمة بالنسبة للإرسال اللاسلكى (الراديو) والرادار. وحتى الأشعة السينية شديدة النفاذ وأشعة غاما يمكن أن تنعكس بزوايا مسطحة باستخدام مرايا "سافة" مخصوصة.

انعكاس الضوء

الانعكاس هو تغير اتجاه مقدمة موجة ضوئية ساقطة على سطح عاكس. وينص قانون الانعكاس على أن زاوية سقوط الشعاع على السطح العاكس تكون مساوية لزاوية الانعكاس. ويوضح الشكل تعريف تلك الزاويتين ، حيث تقاس كل زاوية منهما بالنسبة إلى العمودي على السطح. الشعاع الساقط على المرآة هو PO والشعاع المرتد (المنعكس) من المرآة هو OQ. ونطرا لتساوي زاوية السقوط وزاوية الانعكاس ، فيمكن أن يكون أيضا الشعاع الساقط QO والشعاع المنعكس OP.

وينطبق هدا القانون أيضا على انعكاس الصوت.

ويتكون الضوء من موجات كهرومغناطيسية. كذلك ينطبق قانون الانعكاس أيضا على جميع أنواع الموجات الكهرومغناطيسية مثل الأشعة تحت الحمراء والأشعة فوق البنفسجية والأشعة السينية وأشعة غاما. ويهتم الخبراء أيضا بانعكاس ترددات العالية الكهرومغناطيسية (Very high frequency (VHF لبث للراديو وفي الرادار. حتي أن الأشعة السينية وأشعة غاماذات الطاقة العالية تنعكس طبقا لهذا القانون ، إلا أن انعكاسها يكون عند زاوية سقوط صغيرة وذلك بسبب قصر طول موجاتهما.

انعكاس الصوت

وينطبق قانون الانعكاس أيضا على انعكاس الصوت. ويستخدم انعكاس الصوت في تعيين أعماق البحار أو بعد الغواصات. وللانعكاس أهمية في الجيولوجيا حيث تنعكس موجات الصوت في باطن الأرض على طبقات بحسب كثافة الطبقات الأرضية وكذلك شكلها. كما يستخدم الانعكاس في تعيين مواقع وأعماق الزلازل.

يعرف انعكاس الصوت بأنه ارتداد الموجات الصوتية نتيجة لاصطدامها بسطح عاكس تحت زاوية معينة طبقا لقانون الانعكاس المعروفة عن الضوء. وعندما تكون زاوية السقوط عمودية على السطح العاكس ، ترتد الموجة على نفسها (حيث تتساوى زاوية السقوط وزاوية الانعكاس) ويعرف ذلك ب صدى الصوت، وهو تكرار سماع الصوت الناشئ عن انعكاس الصوت الأصلي. ويستوجب ذلك أن تكون الفترة الزمنية بينهما ${\displaystyle ({\frac {1}{10}})s}$ على الأقل لكي تشعر الأذن البشرية بصدى الصوت.

وبما أن سرعة الصوت في الجو عند 20 درجة مئوية يبلغ 340 متر في الثانية فإته لكي تشعر الأذن بصدى الصوت يلزم أن يكون الحائل أو الحائط بعيدا عنا على الأقل 17متر.

حيود الصوت:

تنتشر موجات الصوت، التي تنتقل بمحاذاة مبنى مبتعد، حول ركن المبنى. وعندما تمرّ عبْر الباب، تنتشر حول حافته. ويُسمَّى انتشار الموجات حول حافة عائق، تمرّ به، أو عند مرورها خلال فتحة ما، الحُيُود. ويحدث الحيود، كلما مرت موجات الصوت بعائق أو بفتحة؛ ولكنه يصبح أوضح ما يكون، إذا كانت موجاته طويلة، مقارنة بحجم العائق أو الفتحة. ويُمكِّنك الحيود من سماع الصوت حول ركن ما، حتى في غياب مسار مستقيم، من مصدر الصوت إلى أذنَيك.

سرعة الصوت:

سرعة الصوت (بالإنجليزية: Speed of sound) هي السرعة التي تنتقل بها الموجات الصوتيّة.

تختلف السرعة حسب الوسط الّذي تنتقل فيه الموجات. الخصائص التي تحدّد سرعة الصوت هي الكثافة ومعامل الحجم. ينتقل الصوت بسرعة أكبر خلال السوائل والأجسام الصلبة. كما أنّ سرعة الصوت تزداد مع الحرارة.

تقدّر سرعة الصوت في وسط هوائي عادي جاف في درجة حرارة (20 °C 68 °F) ب 343 متر في الثانية، أو (1,125 قدم/ثانية). أو ما يساوي 1135 كيلومتر في الساعة (768 ميل/الساعة)، أو ميل واحد في كل خمس ثوان.

العلاقة التي تربط بين سرعة الصوت والتردد ${\displaystyle f}$ وطول الموجة ${\displaystyle \lambda \,}$ هي :

${\displaystyle v=\lambda \;f}$.

وهي تنطبق في حالة الصوت كما تنطبق في حالة الضوء أو الموجات الكهرومغناطيسية، مع ملاحظة استبدال سرعة الصوت v بسرعة الضوء c في حالتي انتشار الضوء أو انتشار موجة كهرومغناطيسية.

انكسار الضوء:

انكسار الضوء هو ظاهرة فيزيائية عبرت الفيزياء الكلاسكية بأنها، ظاهرة انحراف الشعاع الضوئي عن مساره عند عبوره السطح الفاصل بين وسطين شفافين مختلفين.كما انها تغير في موجات الضوء ونظام الحركة التي تحدثها الموجات في الوسط المادى وجزيئات هذا الوسط فتحدت حركة ذات نظام معين تنتقل عبرها الطاقة وعندما تنتقل إلى وسط آخر مختلف في الكثافة فتغير الاتجاه بسبب تغير سرعتها وتتغير سرعة موجتها بسب تقيد حركة الموجات في الوسط الأكبر كثافة فتبطء سرعتها وزيادة الحرية في الانتقال عبر الوسط الأقل. وهو يحصل عند انتقال الموجة من وسط ذي معامل انكسار ما إلى وسط ذي معامل انكسار مختلف. ويحصل الانكسار عند الحد بين الوسطين. وعند الانكسار يتغير الطول الموجي ولكن التردد يبقى ثابتا. ومن الامثلة على الانكسار الموجي تغيّر اتجاه الضوء عند مروره عبر قطعة زجاجية.

يوجد علاقة بين الضوء الساقط والضوء المنكسر وهي حسب قانون الانكسار.

انكسار الضوء هو أحد الظواهر التي يتعرض له الضوء توجد لهذه الظاهرة أهمية كبيرة لفهمنا الطبيعة التي تصادفنا كما أن لها استخدامات تقنية بأجهزة عملية عديدة.

انكسارالضوء: هو عبارة عن انحراف الضوء عن مساره عند انتقاله من وسط شفاف إلى وسط شفاف آخر فبدلا من أن يستمر في الحركة على نفس الخط المستقيم الذي كان يستمر فيه ينحرف عن مساره بنقطه انتقاله بين الوسطين.علاقة بين الضوء الساقط والضوء المنحرف هي حسب قانون سنيل. معامل الانكسار n :هو النسبة بين سرعة الضوء في الفراغ وبين سرعته في المادة.

البكتيريا و الفيروسات

البكتيريا أو الجُرْثُومَة أو الجُرْثُوم (Bacteria وباليونانية القديمة : bakterion عصيات) كائنات حية دقيقة وحيدة الخلية منها المكورات والعصيات و الحلزوني وهي تتجمع مع بعضها وتأخذ أشكالا متعددة مثل عقد أو سبحة فتسمى مكورات عقدية أو على شكل عنقود فتسمى مكورات عنقودية. تتراوح أبعاد البكتريا بين 0.5-5 ميكرومتر مع أن التنوع الواسع للبكتريا يمكن أن يظهر تعدد أشكال كبير جدا. تدرس البكتريا في ما يدعى علم البكتيريا أو الباكتريولوجيا الذي يعتبر فرعا من فروع علم الأحياء الدقيقة. كانت البكتيريا من أولى أشكال الحياة التي ظهرت على سطح الأرض وهي موجودة في معظم المواطن على هذا الكوكب. كما تستوطن التربة، الماء، ينابيع المياه الحارة الحمضية والكبريتية، المخلفات الإشعاعي ، والأجزاء العميقة من القشرة الأرضية. أيضًا تعيش البكتيريا في النباتات والحيوانات (انظر:تعايش (أحياء))، كما تزدهر في المركبات الفضائية المأهولة بالبشر.

يحتوي الجرام الواحد من التربة على ما يقارب 40 مليون خلية بكتيرية، ويوجد حوالي مليون خلية بكتيرية في الملي لتر الواحد من المياه العذبة. يقدر عدد البكتيريا في الأرض بحوالي 5×1030مكونة بذلك كتلة بيولوجية تتعدى كل الحيوانات والنباتات. للبكتيريا دور حيوي في عملية إعادة تدوير المواد الغذائية حيث أن خطوات عديدة في عملية الدورة الغذائية تعتمد على هذه الكائنات، مثل عملية تثبيت النيتروجين من الغلاف الجوي وعملية التعفن. في البيئات الحيوية المحيطة بالشقوق الحرارية المائية والشقوق الباردة (في المحيطات) تقوم البكتيريا بتوفير الغذاء اللازم للحفاظ على الحياة عن طريق تحويل بعض المركبات الذائبة كسلفايد الهيدروجين والميثان إلى طاقة. في 17 مارس عام 2013 توصل الباحثون إلى معلومات تشير إلى أن البكتيريا تتواجد في خندق ماريانا وهو أعمق منطقة على الأرض.توصل باحثون آخرون إلى دراسات مشابهة تشير إلى أن الميكروبات تعيش داخل صخور تبلغ 1900 قدم بعيدًا تحت قاع البحر تحت 8500 قدم من المحيط مقابل السواحل الشمالية الغربية للولايات المتحدة. ووفقا لما يذكره أحد الباحثين "بإمكانك إيجاد الميكروبات في كل مكان – لديهم قدرة عالية على التكيف مع أي ظرف وبيئة ويمكنهم البقاء على قيد الحياة أينما كانوا".

معظم البكتيريا لم يتم تشخيصها، وما يقارب نصف شعبة البكتيريا فقط تمتلك أنواعاً يمكن زراعتها في المختبر. وتُعرف دراسة الجراثيم بعلم البكتيريا، أحد فروع علم الأحياء الدقيقة.

يوجد هناك تقريباً عشرة أضعاف خلايا بكتيرية في الميكروبات البشرية كما يوجد خلايا بشرية في جسم الإنسان، مع أعداد كبيرة من البكتيريا على الجلد وجرااثيم الجهاز الهضمي. إن الغالبية العظمى من البكتيريا في جسم الإنسان لا تعود عليه بالضرر بفضل تأثيرات الحماية من جهاز المناعة، والقليل منها ذو فائدة ومع ذلك فهناك أصناف قليلة من البكتيريا مسببة للأمراض وللعدوى ومن ضمنها الهيضة و الزهري و الجمرة الخبيثة و الجذام و الطاعون الدبلي. إن الأمراض البكتيرية الأكثر شيوعاً وفتكاً هي عدوى الجهاز التنفسي وعدوىالسل اللتان توديان لوحدهما بأرواح مليوني شخص كل عام معظمهم من جنوب صحراء أفريقيا. ففي الدول المتقدمة قاموا باستخدام المضادات الحيوية لمعالجة عدوى البكتيريا وفي قطاع الزراعة وبذلك تصبح المقاومة بالمضادات الحيوية أمراً شائعاً ، لكن تكمن أهمية البكتيريا في مجال الصناعة في قيامها بعملية تصريف مياه المجاري والتسرب النفطي وفي إنتاج الأجبان والألبان من خلال عملية التخمير ، وفي قطاع التعدين تستخدم البكتيريا في طلاء الذهب و البلاديوم و النحاس ومعادن أخرى. فضلاً عن التكنولوجيا الحيوية وتصنيع المضادات الحيوية ومواد كيميائية أخرى.

تم تصنيفها ضمن النباتات من الفئة التي تشكل الجراثيم، الآن تعتبر البكتيريا من الكائنات وحيدة الخلية. وخلافاً للحيوانات والكائنات عديدة النواة، البكتيريا وحيدة الخلية لا تحتوي على نواة، ونادرًا ما تحوي غشاء يحيط بالعضيات. مصطلح "البكتيريا" قديمًا كان يضم جميع بدائيات النواة، وتم تغيير هذا المصطلح العلمي بعد الأكتشاف العلمي عام من اسلافها المشتركة قديمًا 1990م، الذي ينص على أن بدائيات النواة تتألف من مجموعتين شديدة الأختلاف في العضيات التي تطورت.