نشاط عملي يوّضح ظاهرة “الحمل الحراري”

2011 تجارب علمية الحرارة والطاقة

غريس ودفورد

مؤسسة الكويت للتقدم العلمي

ظاهرة الحمل الحراري الفيزياء

الأهداف

1- صنع تيار حمل حراري داخل الماء.

2- فهم الطريقة التي تنتقل من خلالها الطاقة الحرارية عبر السوائل أو الغازات عن طريق الحمل الحراري.

 

الأدوات التي تحتاجها

1- رأس قلم رصاص (الرصاص من قلم الرصاص)

2- وصلة مؤلفة من زوج من الأسلاك مزود بملاقط مسننة في نهايته

 

3- حوض سمك صغير

4- بطارية 6 أو 12 فولتاً

 

5- منبع ضوئي مثل جهاز إسقاط شرائح (سلايدات) أو مصباح جيب أو مصباح كاشف صغير من دون العاكس

6- ماء بارد من الصنبور

7- لوح كبير من الكرتون الأبيض

 

 

خطوات العمل

1- أخرج رأس قلم رصاص من قلم رصاص آلي. ينبغي أن يكون طول الرأس حوالي بوصتين (5 سم). شبّك الملقط المسنن في السلكين في طرفي رأس قلم الرصاص.

2- استخدم أحد الملقطين المسننين كي تربط الطرف الموجب من البطارية (الذي يحمل إشارة +) بأحد طرفي بروة الرصاص، ثم استخدم الملقط الآخر المربوط بالطرف السالب (الذي يحمل إشارة -) بالطرف الثاني من البروة.

3- املأ حوض السمك بماء بارد من الصنبور ثم أدخل رأس قلم الرصاص في الماء بحيث تستقر في وسط الحوض على شكل أفقي. تأكد من أن الرأس الرصاصي غير ملامس لجانبي الحوض.

4- قم بتعتيم الغرفة ووجه الضوء على الحوض بحيث يجري إسقاط حركة الماء على لوح الكرتون خلف الحوض. راقب ما يحدث.

5- في حال تعذّر عليك تعتيم الغرفة تستطيع مشاهدة سريان تيار الماء بأن تنثر قليلاً من مسحوق الفلفل الأسود في الحوض. ستلاحظ نثرات الفلفل الأسود الخفيفة وهي تتحرك مع التيار.

 

إذا كنت قد استعملت بطارية 6 فولت في التجربة، جربها ثانية باستعمال بطارية 12 فولتاً.

إن البطارية الأكبر جهداً تزيد من كمية الحرارة الصادرة عن الرصاص وتجعل التيار المتدفق أكثر قوة وأسهل رؤية.

جرب في الخطوة التالية أن تضع الرصاص بشكل عمودي بدلاً من الوضع الأفقي، ولاحظ فيما إذا كان لهذا التغيير أي تأثير على اتجاه التيار.

 

من المفيد أن ترسم أشكالاً كي تسجل نتائجك وتبيّن من خلالها سرعة واتجاه حركة الماء. ارسم شكلاً مختلفاً في كل مرة تجري فيها التجربة.

تستطيع حينئذٍ أن تقارن بين الرسمين وترى فيما لو أن هناك أي تأثيرات ناجمة عن التغييرات التي أدخلتها على التجربة.

هناك تجربة بسيطة أخرى يمكنك القيام بها لمراقبة الحمل الحراري في الهواء. ارسم شكلاً لولبياً على قطعة من الرقائق المعدنية.

 

قص الشكل اللولبي والصق أحد طرفي خيط في مركز اللولب. أمسك الخيط بحيث يكون اللولب معلقاً فوق الطاولة لمسافة سنتمترات قليلة. اطلب من أحد الكبار أن يشغل شمعة صغيرة ويضعها أسفل اللولب.

وينبغي أن يكون اللهب على بعد بضعة سنتمترات من اللولب. ينبغي أن يتراقص اللولب متأثراً بالحمل الحراري.

 

تحليل

عندما يمر التيار الكهربائي عبر رأس قلم الرصاص ترتفع درجة حرارة الرصاص ويسخن الماء من حوله. والماء الساخن أقل كثافة من الماء البارد لأنه عندما يسخن الماء تتباعد ذرّاته.

والماء الساخن القريب من الرصاص أقل كثافة من بقية الماء في الحوض، ما يؤدي إلى تمدده وارتفاعه عبر الماء البارد باتجاه السطح.

ومع ارتفاع الماء الساخن نحو الأعلى يحل محله الماء الأقل سخونة، والذي سيسخن بدوره ويرتفع إلى الأعلى.

 

إن هذه الحركة الدورانية المستمرة للماء تؤدي إلى ظهور تيار الحمل الحراري على شكل حركة دواميّة داخل الحوض. ويساعدك الضوء على مشاهدة هذه الظاهرة.

وبما أن الماء البارد والماء الحار لهما كثافة مختلفة فإن الضوء ينتقل عبر كل منهما بسرعات مختلفة أيضاً، ولهذا السبب ينكسر الضوء عند مروره عبر أجسام أكثر حرارة إلى أخرى أكثر برودة أو أجسام أكثر برودة إلى أخرى أكثر حرارة.

وعندما ينكسر الضوء بعيداً باتجاه لوح الكرتون الأبيض يصبح اللوح أكثر لمعاناً. وعندما ينكسر الضوء بعيداً عن اللوح يصبح أكثر تعتيماً، وينتج عن هذا شكل الضوء الذي نراه على الشاشة.

 

وبما أن موضع الماء الساكن والبارد يكون في حالة من التغير المستمر فإن الأشكال المعروضة على الشاشة تكون أيضاً في حالة تغير مستمر.

لو أنك أجريت المتابعة باستخدام الشكل الحلزوني أو اللولبي لشاهدته وهو يتحرك، مطلقاً تيار حمل حراري في الهواء.

وعندما سخّنت الشمعة الهواء في الأعلى ارتفع الهواء الساخن، واندفع الهواء البارد ليشغل الفراغ فوق الشمعة، ثم سخن واندفع نحو الأعلى. وتستمر هذه العملية على هذا النحو.

 

إن حركة الهواء بهذه الطريقة تشكل تيار حمل حراري، أدى كما رأينا إلى دوران الرقاقة اللولبية الخفيفة بفعل حركة الهواء.

عندما تشاهد نشرة الأحوال الجوية على شاشة التلفاز، لاحظ إن كان الراصد الجوي سيتحدث عن تيارات الحمل الحراري. إن بعض هذه التيارات تساعد الناس على العيش بشكل أيسر في أماكن محددة. انظر إلى بريطانيا على الخارطة.

إن أقصى شمال اسكتلندا مماثل لأقصى شمال النرويج وشمال شرق كندا، لكن اسكتلندا تظل أكثر دفئاً من أي من هاتين المنطقتين.

 

إن عدداً كبيراً من النباتات والحيوانات تعيش في بريطانيا، إلا أنها غير قادرة على العيش في النرويج أو شمال شرق كندا. فبريطانيا أكثر دفئاً لأن تيار الحمل الحراري للماء الحار يجري بمحاذاتها – تيار الخليج.

إن هذا التيار الذي يحمل الماء الدافئ يقوم بتسخين الهواء فوقه، ما يجعل بريطانيا دافئة بشكل مثير للدهشة.

ولو حدث أن أصبح كوكبنا أكثر حرارة وانصهرت القلنسوة الجليدية القطبية لقضى الماء البارد الزائد في المحيط على تيار الحمل وأدى ذلك إلى أن تصبح بريطانيا متساوية مع كندا من حيث برودة المناخ.

 

لماذا لم يتحرك الماء بشكل دوراني داخل الحوض؟

إن أول ما ينبغي محاولته هو استخدام بطارية أكبر. إذا كنت تستعمل بطارية 6 فولت، جرب استعمال بطارية 12 فولتاً.

كما يمكنك أن تستعمل رأس قلم رصاص أكثر ثخانة. اطلب من أحد الكبار أن يستخرج قضيب رصاص سميكاً من بطارية صغيرة، وتأكد من أن ضوء مصباح الجيب الذي تستخدمه له حزمة إنارة ضيقة وقوية وأن الغرفة معتمة تماماً.

 

مزيد من الأحمال الحرارية

من بين الطرق الأخرى التي يمكننا من خلالها مشاهدة سريان الحمل الحراري أن نقوم بملء إناء زجاجي بزيت نباتي ثم نضع الإناء على قالبين من الطوب مع ترك مسافة سنتمترات قليلة بينهما.

أشعل شمعة وضعها أسفل الإناء بين الطوبتين. أضف بضع نقاط من أحد الملونات الغذائية إلى الزيت. سوف يكشف الملوّن الغذائي اتجاه سريان الحرارة.

 

نسمات البحر

تهب رياح الأرض عندما يتحرك حوالي 5.6 مليار طن من الهواء بفعل السخونة غير المتكافئة للكرة الأرضية من جانب الشمس، وينتج عن ذلك نسيم بحري على امتداد السواحل.

ترتفع درجة حرارة الأرض خلال النهار، بينما تظل درجة حرارة المحيط القريب منها أكثر أو أقل انتظاماً.

 

وعندما تسخن الأرض يسخن الهواء فوقها ويرتفع نحو الأعلى، ثم يتحرك الهواء الأكثر برودة ليحل محل الهواء الحار المتصاعد محدثاً نسيماً يتحرك نحو البر، ويُطلق على ذلك النسيم "نسيم البر".

وبعد غروب الشمس تنعكس العملية عندما تبرد الأرض فيتحرك النسيم من البر إلى البحر، ويسمى ذلك النسيم "نسيم البحر".

[KSAGRelatedArticles] [ASPDRelatedArticles]