يعتبر المعدن درعًا جيدًا للحرارة?

إذا استخدمت بطريقة معينة, يمكن أن يكون المعدن بمثابة درع جيد للحرارة. في نفس الوقت, إذا تم استخدام المعدن بطريقة مختلفة, يمكن أن يكون بمثابة بالوعة حرارة جيدة, وهو عكس الدرع الحراري.

يمكن أن يعمل المعدن كدرع حراري جيد ومشتت حراري جيد, اعتمادا على كيفية استخدامه. صورة المجال العام, مصدر: كريستوفر S. بيرد

هناك ثلاث طرق يمكن من خلالها نقل الحرارة من مكان إلى آخر: من خلال الإشعاع, من خلال التوصيل, ومن خلال الحمل الحراري. يتكون الإشعاع الحراري من موجات كهرومغناطيسية تنبعث من الأجسام بسبب درجة حرارتها. يحمل الإشعاع الحراري الطاقة وبالتالي ينقل الحرارة. لأن الإشعاع الحراري هو شكل من أشكال الضوء, يطلق النار في خطوط مستقيمة, يسافر بسهولة من خلال المساحة الحرة, ويتم حظره بسهولة بواسطة المواد. إن الدفء الذي تشعر به عند الجلوس بالقرب من نار المخيم يرجع إلى الإشعاع الحراري المنبعث من النار. التوصيل هو نقل الحرارة بين جسمين عن طريق الاتصال المباشر. إن الدفء الذي تشعر به عندما تمسك بكوب من الكاكاو الساخن يرجع إلى التوصيل. الحمل الحراري هو نقل الحرارة من خلال حركة الجزء الأكبر من السوائل. إن الدفء الذي تشعر به عندما تضع وجهك فوق كوب من الكاكاو الساخن يرجع إلى الحمل الحراري.

الخاصية الرئيسية التي تميز المعدن هي وجود عدد كبير من الإلكترونات التي تتمتع بحرية الحركة بشكل فعال. هذه الخاصية تجعل المعادن موصلة للكهرباء بشكل جيد, وهذا هو سبب وجود الكثير من المعدن في الدوائر الكهربائية. تعطي هذه الخاصية أيضًا للمعادن بعض الخصائص الحرارية المثيرة للاهتمام. نظرًا لأن إلكترونات التوصيل في المعادن حرة في الحركة, إنهم قادرون على الاستجابة بسرعة وسهولة للمجالات الكهرومغناطيسية المتموجة الموجودة في الإشعاع الحراري. تؤدي هذه الاستجابة القوية إلى انعكاس قوي للإشعاع الحراري. إنه مشابه إلى حد ما لكيفية قدرة لاعب بيسبول رشيق وبدون عوائق على إرجاع الكرات بسرعة وفعالية إلى الملعب. لهذا السبب, تعتبر المعادن دروعًا ممتازة للإشعاع الحراري. إذا كانت الطريقة الرئيسية التي يتم بها نقل الحرارة في نظام معين هي من خلال الإشعاع الحراري, فالمعادن تعتبر دروعًا حرارية ممتازة. لاحظ أن المعدن لن يعكس معظم الإشعاع الحراري إلا إذا كان المعدن سميكًا بدرجة كافية; بسمك ملليمتر أو أكثر. إذا كان المعدن رقيقًا جدًا, يمكن أن يتسرب الإشعاع الحراري عبر المعدن في عملية تسمى نفق الموجة.

كما أن الإلكترونات الحرة الموجودة في المعادن تجعل المعادن موصلة للحرارة بشكل جيد. يمكن للإلكترونات أن تمتص الطاقة في نقطة واحدة ثم تتحرك بحرية إلى نقطة أخرى, تحمل الطاقة الحرارية معهم. وبالتالي, إذا كان المعدن على اتصال مباشر مع جسم ساخن, سوف يحمل الحرارة بسرعة بعيدًا عن الجسم. إذا كانت الطريقة الرئيسية التي يتم بها نقل الحرارة في نظام معين هي من خلال التوصيل, وإذا كان المعدن على اتصال بالجسم الساخن, فالمعدن عبارة عن درع حراري ضعيف.

لقد نظرنا بالفعل إلى الإشعاع الحراري والتوصيل الحراري. في كلتا الحالتين, تلعب الإلكترونات الحرة في المعادن دورًا مهمًا. لآخر آلية نقل الحرارة, الحمل, الإلكترونات الحرة لا تلعب أي دور. يتطلب الحمل الحراري مادة سائلة يمكنها التحرك. عادة, المعادن صلبة, ليس سائلا, وبالتالي لا تشارك في الحمل الحراري. علاوة على ذلك, حتى لو كان الهواء أو الماء بمثابة سائل يتيح الحمل الحراري, يمكن لقطع معدنية صلبة كبيرة أن تحجب الهواء أو الماء وتمنعه ​​من الحركة. إذا كانت الطريقة الرئيسية التي يتم بها نقل الحرارة في نظام معين هي من خلال الحمل الحراري, ومن ثم يمكن أن تكون قطعة معدنية صلبة كبيرة بمثابة درع حراري ممتاز. إذا كان المعدن به العديد من الثقوب أو القنوات التي تسمح بمرور السوائل من خلالها, عندها سيكون درعًا حراريًا سيئًا من حيث الحمل الحراري.

في الواقع, عادةً ما تكون آليات النقل الحراري الثلاث موجودة. هذا يعني أن المعدن يمكن أن يكون درعًا جيدًا للحرارة, درع حراري متوسط, أو درع حراري سيء, اعتمادًا على كيفية استخدامنا له.

وبناء على المناقشة أعلاه, يمكننا الآن تحديد كيفية تحويل المعدن إلى درع حراري جيد. يجب أن نستخدم لوحًا معدنيًا كبيرًا لا يحتوي على أي ثقوب أو قنوات. وذلك بوضع هذه الصفيحة المعدنية حول مصدر الحرارة, سوف يعكس الإشعاع الحراري الناتج عن مصدر الحرارة ويمنع الكثير من الحمل الحراري. في نفس الوقت, لأن المعادن موصلة للحرارة بشكل جيد, يجب أن نكون حذرين من أن المعدن لا يتلامس بشكل مباشر مع مصدر الحرارة. يجب أن تكون هناك فجوة هوائية بين المعدن ومصدر الحرارة. وذلك لمنع المعدن من نقل الحرارة بعيدًا عن المصدر عبر التوصيل. إذا تم اتخاذ كل هذه الخطوات, ثم سيتم حظر جميع وسائط النقل الحراري الثلاثة وسيكون المعدن بمثابة درع حراري ممتاز.

فمثلا, ضع في اعتبارك أنك قمت للتو بطهي الديك الرومي وتريد إبقائه دافئًا. من خلال إحاطة الديك الرومي بدرع حراري, يمكنك منع الحرارة من الهروب ومنع الديك الرومي من البرودة. أفضل طريقة للقيام بذلك هي الحصول على ورقة صلبة من رقائق الألومنيوم ولفها حول الديك الرومي, مع الحرص على التأكد من وجود فجوة صغيرة من الهواء بين الديك الرومي والرقائق. سوف تعكس الرقاقة الإشعاع الحراري مرة أخرى إلى الديك الرومي, سوف يمنع تيارات الحمل الحراري, وستضمن فجوة الهواء أن المعدن لا يطرد الحرارة حرارياً.

في المقابل, يمكننا أيضًا بناء المعدن ليكون درعًا حراريًا سيئًا, أو بمعنى آخر مصدر حرارة جيد. في البداية, يجب أن نضع العديد من الثقوب أو القنوات في المعدن للسماح بمرور تيارات الحمل الحراري. تشكيل المعدن ليكون له زعانف كثيرة, المسامير, الثقوب والقنوات تعزز الحمل الحراري, كما أنه يزيد من مساحة السطح التي يمكن للمعدن من خلالها نقل الحرارة إلى الهواء. ثانيا, يجب أن نضع المعدن على اتصال مباشر مع مصدر الحرارة, حتى نتمكن من الاستفادة من الموصلية الحرارية العالية للمعادن. أخيرا, يجب أن نجعل المعدن رقيقًا جدًا بحيث يمكن للإشعاع الحراري أن يتسرب من خلاله. ومع ذلك, عادةً ما يكون المعدن الرقيق جدًا أضعف من أن يحافظ على شكله, لذلك غالبًا ما يتم تخطي هذه الخطوة الأخيرة. عندما يتم تطبيق هذه الأساليب, سوف يعمل المعدن كمشتت حراري جيد جدًا ودرع حراري سيئ جدًا.

ائتمان:HTTPS://wtamu.edu/~cbaird/sq/2016/03/08/is-metal-a-good-heat-shield/