ما الطريقة التي تنتقل بها الحرارة في الفراغ

في بداية المقال سنوضح طريقة انتقال الحرارة في الفراغ، حيث أنه تنتقل الحرارة في الفراغ عن طريق الإشعاع وهي من الطرق الشائعة لانتقال الحرارة في الفراغ، وأن طريقة الإشعاع تحدث نتيجة الوسط شفاف وسواء كان هذا الوسط صلب او سائل او غاز، ومن الناحية الأخرى في الفراغ يحدث انتقال للحرارة من خلال الوضع الإشعاعي ويجب العلم بأنه يحدث بنقل الحرارة فقط، وهذا يرجع لأن الطرق الأخرى الخاصة بنقل الحرارة تحتاج إلى توفير وسط يكون مصنوع من مادة الجسيمات التي تحدث بنقل الحرارة.

أمثلة على انتقال الحرارة في الفراغ

يجب العلم بأن الطريقة الشائعة لانتقال الحرارة في الفراغ هي الإشعاع الكهرومغناطيسي، حيث أنه لا يحتاج إلى أي وسيط لكي يتم انتشاره، على عكس الطرق الأخرى التي تحتاج إلى مواد لكي تنتشر الحرارة في الفراغ، وسوف نوضح عدة أمثلة أخرى على انتقال الحرارة في الفراغ:

• طريقة انتقال الحرارة في الرقائق الخاصة بجهاز الكمبيوتر.
• الأجزاء الالكترونية النانوية التي تتميز بأنها صغيرة للغاية.
•  الطريقة الأكثر شيوعاً والطبيعية هي انتقال الحرارة عن طريق الشمس إلى الأرض.
• الإشعاع الخاص بالميكروويف والذي ينبعث من الفرن.
• الأشعة فوق البنفسجية التي تأتي من الشمس.
• طريقة إطلاق عدة جسيمات ألفا خلال تحلل عنصر اليورانيوم ٢٣٨ إلى عنصر ثوريوم -٢٣٤ مثالا وهذا يكون على أخر إشعاع.

ميكانيكية انتقال الحرارة في الفراغ

حيث أنه تنتقل الحرارة في المواد الصلبة من خلال الإلكترونات أو قد تحدث عن طريق الاهتزازات الذرية وقد يطلق عليها أحيانا الفونونات وهي تحدث في الغالب بهذه الطريقة، ولكن في حالة انتقال الحرارة عن طريق الإشعاع فإنها لا تحتاج إلى وسيط أي أنها لا تنتقل عن طريق الفونونات.

وهناك العديد من الدراسات الحديثة التي أوضحت ان التغييرات الخاصة بـ الكمومية التابعة لكافة المجالات الكهرومغناطيسية والتي لها دور فعال في تحفيز اقتران الفونون عن طريق الفراغ ، حيث أنها تعمل على نقل الحرارة للفراغ.

وأنه أكتشف مؤخراً أحدى الظواهر الفعالة وهي ” ظاهرة ميكانيكا الكم”  حيث أنه من خلالها تم اكتشاف أن الحرارة يمكنها أن تنتقل في الغالب أكثر من مائتين أو قد تصل إلى ثلاثمائة نانومتر في الفراغ.

ولكن يجب العلم بأنه على الرغم من أن التفاعل الذي وضحناه سابقاَ يتم ملاحظته في الغالب على مقاييس الطول فقط والتي تكون طويلة جداً، ولكن من الضروري معرفة ان هذه النظرية هامة للغاية حيث أنها تستخدم في صناعة  رقائق الكمبيوتر وكافة الأجزاء الالكترونية النانوية.

ومن أشهر التجارب التي قامت بأثبات أن الحرارة  تنتقل في الفراغ ، هي التجربة التابعة للغشاءين الذين تم صنعهم من نيتريد السيلكون ويكونوا مطليين بالذهب، وبعد ذلك يتم وضعهم داخل الغرفة، وأنهم قاموا بتسخين أحد الأغشية لكي يقوموا بأثبات التجربة، فقد لاحظوا أنه تم تسخين الغشاء الأخر وعلى الرغم من أن الغشاءين لم يكونوا مرتبطين ببعضهما البعض، حيث أنه كان هناك طاقة ضوئية قليلة تمر بين الغشاءين في الفراغ.

ويجب العلم بأن هذه التجربة قامت بفتح العديد من الفرائض الخاصة بالإدارة الحرارية، وهذا يكون على المستوى النانوي، و هذه الفرائض تعتبر خطوة هامة لجميع الحسابات التي تكون عالية السرعة وتقوم بتخزين البيانات، فقد قاموا العلماء باستخراج الحرارة من كافة الدوائر الالكترونية التي تكون متكاملة.

وقد صرح أحد العلماء في جامعة كاليفورنيا وقاموا بتوضيح ” أنه إذا لم يتوافر أي مساحة وهذا يكون بغض النظر عن الضوء، فإنه في هذه الحالة توضح ميكانيكا الكم أنه من المستحيل أن يكون هناك فارغاً، ولكن يجب العلم بأنه لا تزال متواجدة بعض التقلبات الخاصة بالمجال الكمومي في الفراغ، وأن هذه التقلبات تعمل على تكوين قوة تؤدي إلى ترابط بين شيئين، وهذا التفاعل يطلق عليه ” تفاعل كازيمير”  وهو له توضيح آخر أنه في حالة كان هناك جسم واحد ساخن وبدأ بالأهتزاز والذبذبة بعض الشئ،  فأنه هذه الطريقة يمكنها أن تنتقل إلى الطرف الأخر وهذا يحدث بداخل الفراغ وترجع هذه النظرية للتقلبات الكمية التي تؤدي إلى حدوث ذلك، حيث أنه في هذه النظرية قمنا بتوضيحها بأكثر من طريقة.

وأنه قام الكثير من العلماء باختيار العديد من الأحجام وتصميمات الأغشية أيضاً ولكن بطريقة صحيحة للغاية، وهذا ساعدهم في إمكانية النقل للطاقة الحرارية ولكن من خلال الكثير من المئات من النانومتر ويكون متواجد في الفراغ، ويجب العلم بأن هذه المسافة كانت بعيدة سابقاً، وهذا يرجع لأن طرق النقل الخاصة بالحرارة ليس لديها القدرة على انتقال الحرارة في الفراغ، وعلى سبيل المثال الطاقة التي يقوم بحملها الإشعاع الكهرومغناطيسي، وهي تكون لها نفس النظام الخاص بالطريقة التي تقوم الطاقة الخارجة من  الشمس على العمل على تسخين الأرض.

الطرق الأساسية لانتقال الحرارة 

من الضروري معرفة أن الحرارة تنتشر في الفراغ تبعا َ لثلاثة طرق وهي تتمثل في الإشعاع  والتوصيل وأيضاً الحمل الحراري، وسنقوم بتوضيح كل طريقة على حدى بالتفصيل التام:

طريقة الإشعاع:

حيث أنه يحدث الإشعاع في حالة إذا كانت الحرارة تتحرك كموجات طاقة، أو تتحرك كموجات خاصة بالأشعة تحت الحمراء وهذا يتم بشكل مباشر من الموقع الأساسي لأي مكان أخر، وقد قمنا سابقاَ بالتوضيح أن طريقة الأشعاع هي الطريقة التي تشابه طريقة وصول حرارة الشمس من  منطقة الفراغ إلى الأرض 

وأن الموجات الخاصة بالأشعة تحت الحمراء تكون جزء من الطيف الخاص بموجات الطاقة والتي يطلق عليها ” الطيف الكهرومغناطيسي” حيث انه يضم الطيف الكهرومغناطيسي  كافة الأنواع الخاصة بالطاقة والتي يمكنها أن تنتقل في الكثير من الموجات، وهي تضم كلاَ من ” الضوء، الحرارة، موجات الراديو، الأشعة السينية، الموجات الفوق وأيضا الموجات الدقيقة”.

فكافة الأنواع من الموجات التي قمنا بتوضيحها تحتوي على الكثير من الطاقة، بالإضافة إلى أنهم يمكنهم أن ينطلقوا عبر الفضاء الواسع، ولهذا يمكنك أن ترى ضوء الشمس من النجوم والتي تكون بعيدة للغاية فهي تبعد بحوالي بلايين السنين الضوئية عن الأرض.

التوصيل 

هو يعتبر من ضمن الطرق التي تؤدي إلى انتقال الحرارة في الفراغ، ولكنك عند اتباعك لهذه الطريقة يجب أن يتواجد وسيط لكي تنتقل الحرارة في الفراغ، وذلك لأن في هذه الحالة تلامس الحرارة أي مادة من الممكن أن تقوم بلمسها، وفي هذه الحالة تقوم جميع الذرات والجزيئات بالتحرك، وبالتالي يمكن القول بأنه عندما يتم تحرك الذرات والجزئيات فأنه يحدث تصادم لكافة الذرات والجزئيات في المجسمات الأخرى وتؤدي إلى تحركها، وقد تتصادم مع عدة جزئيات أخرى وتؤدي إلى تحركها أيضاً، وبهذه الطريقة يحدث التحرك لأي مادة وتنتقل الحرارة في الفراغ.

الحمل الحراري 

تعتبر من أكثر الطرق شيوعاً في انتقال الحرارة على الأرض ولكن هذه الطريقة منتشرة في الفضاء لأنه لا يوجد جاذبية في الفضاء، وقد نلاحظ أن الحمل الحراري يحدث عند تسخين مادة من الممكن أن تتدفق.

فمثلا عند تواجد الماء والهواء ولابد من توافر  الجاذبية  وذلك لأن الجاذبية تعمل على سحب المادة لأسفل مما يؤدي نزول الهواء أو الماء في القاع وتكون الكمية كثيفة للغاية حيث أنه يتم سحبه في الأسفل، ويتم الدفع له في الأسفل عن طريق الوزن لكافة الجزئيات التي تتواجد فوقه.

المصدر: sciencenews.org