انتقال الحرارة: التوصيل

كلنا يعلم أنه إذا أمسك شخص يد ملعقة معدنية مغمورة في ماء ساخن فإن الحرارة تنتقل من الماء إلى يد ذلك الشخص خلال مادة المعلقة، وتفسير ذلك بسيط للغاية. ذلك أن الحرارة تدخل الملعقة من الماء الساخن، ونتيجة لذلك تكتسب ذرات المادة في الجزء الساخن من الملعقة طاقة حرارية كبيرة. وبزيادة الطاقة الحرارية للذرات تزداد سمة اهتزازتها، مما يؤدي إلى تصادمها بالذرات المجاورة الأكثر برودة ناقلة إليها الطاقة الحرارية. وهذه بدورها تتصادم مع الذرات التالية فتكسبها طاقة إضافية، وهكذا، وبهذه الطريقة تنتقل الطاقة الحرارية من الطرف الساخن للملعقة إلى الطرف البارد، وفي نهاية الأمر تصبح الملعقة كلها ساخنة. هذه الطريقة لانتقال الحرارة  تسمى التوصيل الحراري.

في عملية التوصيل الحراري تنتقل الحرارة خلال المادة بواسطة التصادمات بين الذرات أو الجزيئات المتجاورة.

يحدث التوصيل الحراري بمعدلات مختلفة في المواد المختلفة. فالعصا الخشبية يمكن أن يحترق أحد طرفيها، بينما يظل الطرف الآخر بارداً نسبياً، ولكن السكين أو الملعقة المعدنية ينقلان الحرارة بسرعة كبيرة من طرف إلى آخر. هذا يوضح أن قدرة المادة تعتمد على تركيبها الذري فالفلزات على سبيل المثال تحتوي على العديد من الإلكترونات التي يمكنها الحركة بحرية كبيرة خلال المادة، وبالتالي يمكنها أن تحمل الطاقة الحرارية أثناء حركتها من جزء إلى آخر في الفلز. ولهذا فإن الفلزات موصلات ممتازة للحرارة.

سوف نستخدم التجربة الموضحة بالشكل (1) في استنتاج العلاقة الرياضية التي تصف التوصيل الحراري وصفاً كمياً. هذا الشكل يمثل شريحة من المادة سمكها LΔ ومساحة كل من وجهيها A؛ ولنفرض أن الفرق بين درتي حرارة هذين الوجهين .T₁ – T₂ = ΔT من الطبيعي أن معدل سريان الحرارة Q/ΔT خلال الشريحة لابد أن يعتمد على كل من TΔ و A وΔL  ومن المعقول أن نفترض أن معدل سريان الحرارة يتناسب طردياً مع كل من TΔ و A (أي زيد بزيادة TΔ أو A أو كليهما) وعكسياً مع LΔ (أي قل بزيادة LΔ)، وقد تبين أن جميع هذه الافتراضات صحيحة ، إذ ثبت بالتجربة أن:

الشكل 1)): تنساب الحرارة خلال الشريحة في الاتجاه المبين لأنT₁ > T₂ .

حيث تسمى الكمية T/ΔLΔ عادة باسم تدرج درجة الحرارة، كما يعرف الثابت k، الذي يعتمد على مادة الشريحة، بالموصلية الحرارية للمادة، ويمثل الجدول أن k يكون كبيراً بالنسبة للموصلات الحرارية الجيدة كالفلزات وصغيراً في حالة الموصلات الحرارية الرديئة والتي  تعرف بالعوازل.