الطريقة التي تنتقل بها الحرارة في الفراغ

تتحرك الحرارة في الفراغ من خلال الإشعاع، وهي واحدة من طرق انتقال الحرارة المألوفة، وتحدث هذه الطريقة في أي وسط شفاف سواء كان صلبا أو سائلا أو غازا

و في الفراغ، يحدث انتقال الحرارة من خلال الوضع الإشعاعي لنقل الحرارة فقط وذلك لأن طرق نقل الحرارة الآخرى مثل الحمل والتوصيل تحتاج لوجود وسط مصنوع من مادة الجسيمات لنقل الحرارة، أما في الفراغ لا توجد أي مواد لذلك الحل الوحيد حتى تنتقل الحرارة هو الإشعاع الكهرومغناطيسي الذي لا يحتاج إلى أي وسيط للانتشار.

أمثلة على إنتقال الحرارة في الفراغ

• انتقال الحرارة في رقائق الكمبيوتر.
• الأجزاء الإلكترونية النانوية الصغيرة جداً.
• انتقال حرارة الشمس إلى الأرض. 
• إشعاع الميكروويف المنبعث من الفرن.
• الأشعة فوق البنفسجية القادمة من الشمس.
• إطلاق جسيمات ألفا أثناء تحلل اليورانيوم 238 إلى ثوريوم -234 هو مثال آخر على الإشعاع

ميكانيكية انتقال الحرارة في الفراغ

غالباً ما يحدث انتقال الحرارة في المواد الصلبة عن طريق الفونونات، وهي الاهتزازات الذرية أو الإلكترونات، أما في حالة الإشعاع فينتقل الحرارة دون وجود وسيط من خلال الإشعاع.

توقعت دراسة أن التغيرات الكمومية في المجالات الكهرومغناطيسية تساعد على تحفيز اقتران الفونون عبر الفراغ، مما يسهل نقل الحرارة.

اكتشف من خلال ظاهرة ميكانيكا الكم الحديثة أن الحرارة يمكن أن تنتقل لمسافة تصل إلى مائتين أو ثلاثمائة نانومتر في الفراغ.

على الرغم من أن هذا التفاعل يتم ملاحظته فقط على مقاييس الطول الغير الطويلة جدًا، إلا أن هذا الاكتشاف ذو أهمية كبيرة في صناعة كل من رقائق الكمبيوتر والأجزاء الإلكترونية النانوية.

ومن التجارب الشهيرة التي تثبت أن الحرارة تنتقل في الفراغ، هي تجربة الغشاءين المصنوعين من نيتريد السيليكون ومطليين بالذهب التي تم وضعهم داخل غرفة، وعندما قاموا بتسخين أحد الأغشية، تم تسخين الآخر أيضًا على الرغم من عدم وجود أي شيء يربط بين الغشاءين وتمر طاقة ضوئية قليلة جداً بينهم.

تم فتح العديد من الافتراضات للإدارة الحرارية على المستوى النانوي من خلال هذه التجربة، وهو شيء مهم لحسابات السرعة العالية وتخزين البيانات، حيث تمكن العلماء من استخراج الحرارة في الدوائر الإلكترونية المتكاملة 

وقال أحد العلماء في جامعة كاليفورنيا في بيركلي أن “حتى لو لم يكن هناك مساحة بغض النظر عن الضوء فإن ميكانيكا الكم تقول إنه لا يمكن أن يكون فارغًا، ولكن لا تزال هناك بعض تقلبات المجال الكمومي في الفراغ، و تؤدي هذه التقلبات إلى تكوين قوة تربط بين شيئين، وهو ما يسمى تفاعل كازيمير، لذلك عندما يسخن جسم واحد ويبدأ في الاهتزاز والتذبذب، يمكن أن تنتقل هذه الحركة إلى الغرض الآخر عبر الفراغ بسبب هذه التقلبات الكمية”.

وقد قام العلماء بتحديد حجم وتصميم الأغشية بشكل صحيح، مما ساعدهم في نقل الطاقة الحرارية عبر مسافات قصيرة تبلغ بضع مئات من النانومترات في الفراغ. في الماضي، كانت هذه المسافة بعيدة جدا، حيث لم تكن طرق نقل الحرارة الأخرى قادرة على نقل الحرارة في الفراغ، على عكس الطاقة المنقولة عن طريق الإشعاع الكهرومغناطيسي، والتي تشبه الطريقة التي تسخن بها الشمس الأرض.

الطرق الأساسية للانتقال الحرارة

تتحرك الحرارة بثلاث طرق، وهي الإشعاع والتوصيل والحمل الحراري، وسوف نتحدث عنها بتفصيل في السطور التالية:

• الإشعاع 

يحدث الإشعاع عندما تتحرك الحرارة على شكل موجات طاقة، أو عندما تنتقل موجات الأشعة تحت الحمراء مباشرة من مكانها الأصلي إلى مكان آخر. كما ذكرنا سابقا، هذه هي الطريقة التي تصل بها حرارة الشمس من الفضاء إلى الأرض.

تمثل موجات الأشعة تحت الحمراء جزءًا من طيف موجات الطاقة المعروف باسم الطيف الكهرومغناطيسي، والذي يشمل جميع أنواع الطاقة التي يمكن أن تنتقل عن طريق الموجات، بما في ذلك الضوء والحرارة والأشعة السينية وموجات الراديو والموجات فوق البنفسجية والموجات الدقيقة.

تحتوي كل هذه الأنواع من الموجات على كميات هائلة من الطاقة، وكذلك يمكن لها جميعًا الانتقال عبر الفضاء الواسع، ولذلك ترى ضوء الشمس من النجوم التي تبعد بملايين السنين الضوئية عن الأرض.

• التوصيل

التوصيل هو واحد من الطرق الأخرى لنقل الحرارة، ولكنه يتطلب وجود وسيط لنقل الحرارة. عندما تلامس الحرارة أي مادة، تجعل الذرات والجزيئات تتحرك. وبالتالي، عندما تتحرك الذرات أو الجزيئات، يحدث تصادم بينها وبين ذرات أو جزيئات أخرى، مما يؤدي إلى حركتها أيضا، وبالتالي تتصادم مع جزيئات أخرى مما يسبب حركة، وبهذه الطريقة يحدث نقل الحرارة عبر أي مادة.

واحد من الأمثلة الشهيرة لنقل الحرارة بالتوصيل هو حرارة الإناء التي تنتقل إلى المقبض عندما يلامس الإناء مصدر الحرارة. يتحرك الجزيئات التي تلامس الحارق بسبب الحرارة المنبعثة من الموقد، ويحدث تصادم بين هذه الجزيئات والجزيئات الأخرى في الإناء، مما يؤدي إلى تحرك جميع الجزيئات في الإناء، بما في ذلك تلك الموجودة في المقبض. وعندما يلامس الإنسان المقبض، يشعر بالحرارة بسبب نقل الحرارة من الموقد إلى يده عن طريق التوصيل

• الحمل الحراري

يحدث انتقال الحرارة عن طريق الحمل الحراري على الأرض بشكل متكرر، ومع ذلك، لا يحدث ذلك في الفضاء بسبب عدم وجود جاذبية مثل تلك الموجودة على الأرض. في الأغلب، يحدث الحمل الحراري عندما يتم تسخين مواد يمكن تدفقها، مثل الماء أو الهواء، وبتواجد الجاذبية. يعمل الجاذبية على سحب المادة بالكامل نحو الأسفل، مما يجعل قاع الهواء أو الماء أكثر كثافة، حيث يتم سحبها للأسفل ودفعها أيضا بواسطة الوزن الذي تحمله الجزيئات العائمة فوقها.

وعندما توجد حرارة في قاع هذا الهواء أو الماء، تبدأ جزيئات الهواء أو الماء الملامسة للحرارة في التحرك، مما يجعل الجزيئات تنتشر بشكل متباعد، وبتالي يصبح الهواء الساخن أو الماء أقل كثافة، وبالتالي ترتفع حتى تصل إلى الهواء أو الماء بنفس الكثافة، وعندما تصل إلى هذا الحد فإنها تدفع الهواء أو الماء الذي كان موجود بعيدًا عن الطريق، وفي نفس هذا الوقت يحدث امتلاء جديد للمساحة التي تم إخلاؤها عندما ارتفعت الجزيئات الساخنة، ثم يسقط الهواء أو الماء الذي يتم دفعه بعيدًا عن الطريقة، وهذا يتسبب في حدوث حركة دائرية، مما يجعل تسخين الهواء أو الماء في الأسفل، وينتقل إلى الأعلى ويبرد ويصبح أكثر كثافة وينزل ثم يسخن مرة أخرى وتبدأ الدورة تتكرر مرة اخرى.

من الأمثلة الواضحة على انتقال الحمل الحراري هي الأفران، حيث تستخدم ملفات التسخين في المنطقة السفلية من الفرن لتسخين الهواء، والذي ينتقل إلى الأعلى ويبرد قليلا، ثم ينتقل مرة أخرى إلى الأسفل