المفاهيم الأساسية

الفيزياء

الحرارة

درجة الحرارة

العزل

مقدمة

كيف يحافظ المبرّد على برودة الأغراض؟ ما المادة التي توفر أفضل عزل؟ جرّب هذا المشروع لتكتشف إلى متى يمكنك حفظ مكعب الثلج من ذوبان بعد خروجه من المجمّد!

معلومات أساسية

هل استخدمت حقيبة أو علبة غداء معزولة كي تحمل وجبة الغداء إلى المدرسة؟ أو مبرّدًا لحمل الطعام في نزهة خلوية؟ لماذا لا نصطحب الطعام في كيس ورقي أو علبة تقليدية؟ ما وظيفة المبرّد تحديدًا التي تميّزه عن الوسائل الأخرى؟ ستتعرف على الإجابات في هذا المشروع -لكن أولًا دعنا نعرف بعض المعلومات عن انتقال الحرارة.

تتدفق الحرارة بشكل طبيعي من الساخن إلى البارد. يمكنك ملاحظة ذلك من خلال مراقبة مشروب ساخن (والشعور به). كوب الشوكولاتة الساخنة سيبرد في النهاية ويصل إلى درجة حرارة الغرفة. وفي هذه الحالة، تتدفق الحرارة من المشروب الساخن إلى البيئة الأكثر برودة. كذلك يصل كوب الماء البارد في النهاية إلى درجة حرارة الغرفة. في هذه الحالة، تتدفق الحرارة من البيئة الأكثر دفئًا إلى الكأس الأكثر برودة.

الحرارة هي الاهتزازات والتصادمات بين الجزيئات في المادة. وتوجد ثلاث طرق مختلفة يمكن أن تنتقل بها الحرارة بين الأغراض: التوصيل، والحمل الحراري، والإشعاع. يحدث التوصيل عندما يكون بعض الأغراض متصلًا ببعضها الآخر اتصالًا مباشرًا. وتشعر بالتوصيل حين تلمس -على سبيل المثال- مكعبات الثلج أو قدحًا ساخنًا. ويحدث الحمل الحراري عندما يتدفق المائع (مثل الهواء أو الماء) على جسم من الأجسام. قد يكون الحمل الحراري طبيعيًّا (على سبيل المثال، جسم ساخن، مثل مقلاة على الموقد، يؤدي إلى تسخين الهواء المحيط به، مما يؤدي بدوره إلى ارتفاع هذا الهواء الأدفأ)، أو قد يكون قسريًّا (على سبيل المثال، بواسطة مروحة مكيّف الهواء). ونحن نشعر بالحمل الحراري حين نقف في مكان مفتوح في مهب ريح شتوية باردة ونشعر بالبرودة. وأخيرًا، يمكن نقل الحرارة عن طريق الإشعاع الكهرومغناطيسي. وعلى الأخص، يمكنك أن تشعر بهذا حين تقف في مكان مفتوح تحت أشعة الشمس، حيث يمكنك الشعور بدفء الشمس على بشرتك على الرغم من أن الشمس تبعد ملايين الأميال مع وجود فراغ الفضاء الفاصل بينكما (لذلك، ليس هناك ما يسمح بالتوصيل أو الحمل الحراري)!

نستخلص مما سبق أنه يوجد عدد كبير من الطرق المختلفة لتدفق الحرارة من مكان إلى آخر، وهو ما يجعل من الصعب الحفاظ على برودة الطعام (أو سخونته). كيف يمكنك إيقاف انتقال الحرارة إذا كان يحدث بشكل طبيعي طوال الوقت؟ أو كيف يمكنك أن تبطئه على الأقل حتى لا يفسد طعامك؟ الحل هو العزل! العوازل الحرارية هي مواد تساعد على تقليل معدل انتقال الحرارة. بعض المواد عبارة عن موصّلات رديئة للحرارة، مما يجعلها عوازل جيدة لإبطاء توصيل الحرارة. ويمكن لمواد أخرى منع الإشعاع في الضوء المرئي أو الأشعة تحت الحمراء. في هذا المشروع، سوف تصمّم مبرّدك الخاص، وتستكشف كيف يمكن للعزل أن يساعد في منع ذوبان مكعب الثلج (لفترة من الوقت على الأقل).

المواد المستخدمة

• حاويتان من البلاستيك لتخزين المواد الغذائية لهما الحجم نفسه (إحداهما ينبغي أن تكون بغطاء محكم).

• مكعبات ثلج (اثنان على الأقل من الحجم نفسه).

• حقيبتان من البلاستيك بسحّاب علويّ أو حاويتان/كوبان أصغر حجمًا لتخزين الطعام، بحيث يمكن وضعهما في الحاويتين الأكبر.

• سطح لتنفيذ التجربة بحيث يمكن تعريض كلتا الحاويتين لمصادر حرارة خارجية بالتساوي (مثل ضوء الشمس أو فتحة تهوية). (لتعجيل النشاط، ضع الحاويتين في ضوء الشمس، أو اصطحبهما إلى مكان مفتوح في يوم دافئ، أو افعل الأمرين).

• مادة عازلة مثل كرات القطن، ولفائف الفقاعات، والورق المجعد، وما إلى ذلك (ما يزيد على مادة واحدة يعتبر اختياريًّا) -بما يكفي لملء الجزء الأكبر من إحدى حاويتي الطعام الكبيرتين.

التحضير

• املأ معظم الجزء الداخلي لإحدى الحاويتين البلاستيكيتين بمادة عازلة. هذا هو "المبرّد" الذي ستصمّمه.

• ضع حقيبة بسحّاب علوي أو حاوية بلاستيكية أصغر داخل كل حاوية من الحاويتين الأكبر حجمًا (تأكد من أن الغطاء الموجود في الحاوية المعزولة يمكن إحكام إغلاقه بالكامل، تخلص من أي عزل مطلوب حتى يمكن إغلاق الغطاء، واتركه مفتوحًا حاليًّا).

الخطوات

• ضع مكعب ثلج واحدًا في كلٍّ من حاوياتك أو حقائبك الصغيرة.

• أغلق سريعًا غطاء حاوية التبريد "المعزولة". (لا تضع غطاءً على الحاوية الأكبر الأخرى). أيّ مكعب من مكعبي الثلج سيستمر لمدة أطول باعتقادك؟

• إذا لم تكن مساحة عملك دافئة، فسيستغرق ذوبان مكعبات الثلج بعض الوقت. يمكنك الانتقال إلى ممارسة نشاط آخر لمدة 15 دقيقة، ثم عد إلى تجربتك. ما حجم مكعب الثلج في الحاوية المفتوحة الآن؟

• اعتمادًا على مدى سرعة ذوبان مكعب الثلج، واصل فحص المكعب بشكل دوري. واستمر في فحصه حتى يذوب تمامًا.

• بمجرد انتهاء ذوبان مكعب الثلج ذاك، افتح مبرّدك وتحقق من مكعب الثلج الآخر. هل ذاب تمامًا هو أيضًا؟ إذا لم يكن قد ذاب تمامًا، فما حجمه إذًا؟

نشاط إضافي: حاول إنشاء مبرّدات متعددة بمواد عازلة مختلفة -أو حتى دمج طبقات من مواد عازلة متعددة داخل مبرّد واحد. ما المادة (المواد) التي تمنع ذوبان مكعب الثلج لأطول مدة؟ لماذا تعتقد ذلك؟

نشاط إضافي: إليك شيء لم نأخذه بعين الاعتبار في هذا المشروع: المساحة! سيكون من الرائع أن تتوافر لديك مساحة للطعام والمشروبات في مبرّدك، بدلًا من ملء معظمه بالعزل. جرب النشاط مرةً أخرى، ولكن هذه المرة اضغط العزل بإحكام إلى جدران الحاوية لتوفير مساحة أكبر. هل يغيّر هذا من سرعة ذوبان مكعب الثلج؟ هل يمكنك تحسين هذا التصميم بمواد مختلفة؟

المشاهدات والنتائج

عندما يذوب مكعب الثلج تمامًا في الحاوية المفتوحة أخيرًا، ربما ستكون قد اكتشفت أن مكعب الثلج في الحاوية المعزولة لا يزال بنصف حجمه الأصلي تقريبًا! يؤدي وضع مكعب الثلج في حاوية مغلقة معزولة إلى خفض كمية الحرارة التي يمكن أن يكتسبها عن طريق التوصيل بمعدل كبير (لأن المادة العازلة ليست موصلًا جيدًا للحرارة) والحمل الحراري (لأن الغطاء محكم الغلق، لا يمكن أن يتدفق هواء إضافي حول مكعب الثلج). إذا كان العزل الذي استخدمته غير نافذ، فإنه سيقلل أيضًا من كمية الحرارة التي تنتقل عن طريق الإشعاع -على الرغم من أنه سيكون في الخارج تحت أشعة الشمس عاملًا أكثر تأثيرًا بكثير مما إذا كنت تمارس النشاط في مكان مغلق.

تأمل الدروس التي استخلصتها من هذا النشاط ومدى ارتباطها بالمبرّدات المستخدمة في الواقع. فعلى سبيل المثال، هل سبق لك أن رأيت مبرّدا شفافًا؟ لماذا لا يقبل الكثيرون عليه؟ إذا كنت تريد الاحتفاظ ببرودة شيء، فهل من الأفضل ترك غطاء المبرّد مفتوحًا أم مغلقًا؟ وإذا كنت بحاجة إلى الحفاظ على برودة شيء مدةً طويلة، فهل ستستخدم مبرّدًا خفيف الوزن ورقيق الجدران أم مبرّدًا بجدران أكثر سمكًا؟ كيف تؤثر الدروس التي استخلصتها من هذا النشاط على كيفية تعبئتك لوجبة غدائك أو حملها معك في نزهة خلوية؟

More to Explore
Energy Transfer, from Physics4Kids
Stay Warm with Thermal Insulation, from Scientific American
How Animals Stay Warm with Blubber, from Scientific American
STEM Activities for Kids, from Science Buddies

هذا النشاط يأتيك بالاشتراك مع «ساينس باديز».

Science Buddies