انتقال الحرارة
تنتقل الحرارة بثلاث طرق متمايزة، وهذه المحاكاة تُفرد لكلٍّ منها منضدة تجارب كاملة. شاهد الطاقة تنتقل بالتوصيل على طول قضيب معدني حتى تبلغ حالتها المستقرة، وشاهد طبقة مائع مسخَّنة تنكسر إلى دوّامات حمل ما إن يتجاوز عدد رايلي 1708، وشاهد الإشعاع يعبر فجوة خالية حتى تستقر كل لوحة عند درجة الحرارة التي يتساوى عندها ما تشعّه مع ما تمتصّه.
كيف تستخدم هذه المحاكاة
- بدّل بين التوصيل والحمل والإشعاع
- اختر مادة القضيب من النحاس إلى خشب البلوط، واضبط درجتَي حرارة طرفيه، وانزع العزل لتترك الحرارة تتسرّب إلى الهواء
- اختر المائع وعمقه وفرق درجة الحرارة عبره، أو أوقف الجاذبية وشاهد الحمل يتوقف
- اضبط درجة حرارة المصدر، وحرّك كل لوحة على مسارها، وأعطِها سطحًا مختلفًا
- اسحب المجسّ على طول القضيب لتقرأ درجة الحرارة عند أي نقطة فيه
ما الذي تلاحظه
- النحاس وخشب البلوط يبلغان المنحنى المستقر نفسه، لكن الساعة تقول إن النحاس يحتاج دقائق والبلوط يحتاج أيامًا
- تحت Ra ≈ 1708 يرفض المائع أن يتحرك ويظل Nu عند 1.00، وفوقها تنطوي الطبقة إلى دوّامات ويرتفع Nu
- بإيقاف الجاذبية يسكن المائع، ولهذا تحتاج المركبات الفضائية إلى مراوح لتبريد أي شيء
- مضاعفة بُعد اللوحة تُنقص الإشعاع الواصل إليها إلى الربع، فيهبط ارتفاع حرارتها فوق حرارة الغرفة تبعًا لذلك
- اللوحة السوداء واللوحة الرمادية اللامعة تنتهيان عند الدرجة نفسها — الفارق الوحيد هو الزمن الذي تستغرقه كل منهما
الفيزياء وراءها
التوصيل هنا هو حلٌّ لمعادلة الحرارة على قضيب حقيقي، فينحني منحنى درجة الحرارة نحو خط الحالة المستقرة المستقيم بمعدل تحدّده الانتشارية الحرارية للمادة، ويخضع سريان الحرارة النهائي لقانون فورييه: Q = kAΔT/L. والحمل تدفّق بوسينيسك ثنائي الأبعاد: يصارع الطفوُ اللزوجةَ والانتشارَ الحراري، وعدد رايلي هو الذي يحسم أيّهما يغلب، بينما يخبرك عدد نسلت كم ضعفًا من الحرارة ينقله المائع المتحرك مقارنةً بالتوصيل وحده. أما الإشعاع فيتبع قانون ستيفان–بولتزمان في الاتجاهين معًا، وتتناقص شدّة الإشعاع الساقط مع 1/d²، وتُحسب امتصاصية كل طلاء كمتوسّط على نطاقات طيف المصدر — ولهذا يستقر سطحان رماديان عند الدرجة نفسها مهما بلغ لمعانهما، بينما يبقى الطلاء الأبيض باردًا ويسخن المعدن المصقول.