الصدمة الحرارية

📅 آخر تحديث: ٣١ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٣١ يوليو ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 39 صور
الموسوعة الحرة

الصدمة الحرارية نوع من الإجهاد الحراري الناتج عن تغير مفاجئ في درجة الحرارة. وهي من أكثر أسباب التلف شيوعًا عند التقاء جسم ساخن بجسم بارد، كما في حالة سكب الماء المغلي في كوب بارد، مما يؤدي إلى تحطمه. تعمل الفروقات الكبيرة في درجات الحرارة كنوع من الأحمال الميكانيكية ، مُحدثةً إجهادًا في المادة. وينتج هذا الحمل عن تمدد أجزاء المادة المختلفة بشكل متفاوت عند درجات حرارتها، مما يُسبب إجهادًا داخليًا. وعندما يتجاوز هذا الإجهاد قوة الشد للمادة، فإنه يُسبب تلفًا ميكانيكيًا لها، مما يؤدي إلى كسرها وربما انهيارها الهيكلي.

التأثير على المواد

يُصنع زجاج البوروسيليكات ليتحمل الصدمات الحرارية بشكل أفضل من معظم أنواع الزجاج الأخرى، وذلك بفضل مزيج من معامل تمدد منخفض وقوة أكبر، مع أن الكوارتز المنصهر يتفوق عليه في كلا الجانبين. تحتوي بعض المواد الزجاجية الخزفية (وخاصةً في نظام ألومينوسيليكات الليثيوم [ 1 ] ) على نسبة محددة من مادة ذات معامل تمدد سالب، بحيث يمكن خفض المعامل الكلي إلى الصفر تقريبًا ضمن نطاق واسع من درجات الحرارة.

من بين أفضل المواد الحرارية الميكانيكية، هناك الألومينا ، والزركونيا ، وسبائك التنجستن ، ونيتريد السيليكون ، وكربيد السيليكون ، وكربيد البورون ، وبعض أنواع الفولاذ المقاوم للصدأ .

يتميز الكربون المقوى بمقاومة عالية للغاية للصدمات الحرارية، وذلك بفضل الموصلية الحرارية العالية للغاية للجرافيت ومعامل التمدد المنخفض، والقوة العالية لألياف الكربون ، والقدرة المعقولة على صد الشقوق داخل الهيكل.

أثبتت تقنية الإثارة النبضية فعاليتها في قياس الصدمات الحرارية . إذ يمكن استخدامها لقياس معامل يونغ، ومعامل القص ، ونسبة بواسون ، ومعامل التخميد بطريقة غير مُتلفة. ويمكن قياس نفس العينة بعد دورات صدمات حرارية مختلفة، ما يسمح بتحديد التدهور في الخصائص الفيزيائية.

وقاية

تشمل طرق الوقاية من الصدمة الحرارية ما يلي: [ 2 ]

مقاومة الصدمات الحرارية

مقاومة الصدمات الحرارية،Δتيs{\displaystyle \Delta T_{s}}، هو أقصى فرق في درجة الحرارة يمكن عنده تبريد المادة بسرعة دون أن تتعرض للتلف. [ 3 ] [ 4 ]

مقاومة للصدمات الحرارية يتم التحكم في قوتها

تُستخدم مقاومة الصدمات الحرارية في اختيار المواد للتطبيقات التي تتعرض لتغيرات سريعة في درجات الحرارة. أقصى قفزة في درجة الحرارة،Δتي{\displaystyle \Delta T}يمكن تقريب الاستدامة بواسطة مادة ما للنماذج التي يتم التحكم في قوتها من خلال: [ 3 ] [ 4 ]بΔتي=σوαهـ{\displaystyle B\Delta T={\frac {\sigma _{f}}{\alpha E}}} أينσو{\displaystyle \sigma _{f}}هو إجهاد الفشل (والذي يمكن أن يكون إجهاد الخضوع أو إجهاد الكسر )،α{\displaystyle \alpha }هو معامل التمدد الحراري،هـ{\displaystyle E}هو معامل يونغ، وب{\displaystyle B}هو ثابت يعتمد على قيد الجزء وخصائص المادة والسمك.

ب=أج{\displaystyle B={\frac {A}{C}}} أينج{\displaystyle C}هو ثابت قيد النظام يعتمد على نسبة بواسون،ν{\displaystyle \nu }، وأ{\displaystyle A}هو مُعامل لا بُعدي يعتمد على عدد بيوت ،بأنا{\displaystyle \mathrm {Bi} }.

ج={1الإجهاد المحوري(1-ν)القيد ثنائي المحور(1-2ν)قيد ثلاثي المحاور{\displaystyle C={\begin{cases}1&{\text{axial stress}}\\(1-\nu )&{\text{biaxial constraint}}\\(1-2\nu )&{\text{triaxial constraint}}\end{cases}}}

أ{\displaystyle A}يمكن تقريبها بواسطة: أ=حح/ك1+حح/ك=بأنا1+بأنا{\displaystyle A={\frac {Hh/k}{1+Hh/k}}={\frac {\mathrm {Bi} }{1+\mathrm {Bi} }}} أينح{\displaystyle H}هو السُمك،ح{\displaystyle h}هو معامل انتقال الحرارة ، وك{\displaystyle k}هي الموصلية الحرارية .

نقل حراري مثالي

في حالة انتقال الحرارة المثالي (بأنا=∞{\displaystyle \mathrm {Bi} =\infty }بافتراض أن الحد الأقصى لانتقال الحرارة الذي تدعمه المادة هو: [ 4 ] [ 5 ]Δتي=أ1σوهـα{\displaystyle \Delta T=A_{1}{\frac {\sigma _{f}}{E\alpha }}}أين،

  • أ1≈1{\displaystyle A_{1}\approx 1}للصدمة الباردة في الصفائح
  • أ1≈3.2{\displaystyle A_{1}\approx 3.2}للصدمات الحرارية في الصفائح

وبالتالي، فإن مؤشر المواد لاختيار المواد وفقًا لمقاومة الصدمات الحرارية في حالة نقل الحرارة المثالي المشتقة من إجهاد الكسر هو: σوهـα{\displaystyle {\frac {\sigma _{f}}{E\alpha }}}

ضعف انتقال الحرارة

في حالات ضعف انتقال الحرارة (بأنا<1{\displaystyle \mathrm {Bi} <1})، أقصى فرق حراري يتحمله المادة هو: [ 4 ] [ 5 ]Δتي=أ2σوهـα1بأنا=أ2σوهـαكحح{\displaystyle \Delta T=A_{2}{\frac {\sigma _{f}}{E\alpha }}{\frac {1}{\mathrm {Bi} }}=A_{2}{\frac {\sigma _{f}}{E\alpha }}{\frac {k}{hH}}}أين،

  • أ2≈3.2{\displaystyle A_{2}\approx 3.2}للصدمة الباردة
  • أ2≈6.5{\displaystyle A_{2}\approx 6.5}للصدمة الساخنة

في حالة ضعف انتقال الحرارة، تُعدّ الموصلية الحرارية العالية مفيدة لمقاومة الصدمات الحرارية. ويُؤخذ مؤشر المادة في حالة ضعف انتقال الحرارة عادةً على النحو التالي: كσوهـα{\displaystyle {\frac {k\sigma _{f}}{E\alpha }}}وفقًا لكل من نماذج نقل الحرارة المثالية والضعيفة، يمكن تحمل فروق درجات حرارة أكبر للصدمة الساخنة مقارنة بالصدمة الباردة.

مقاومة الصدمات الحرارية التي يتم التحكم فيها بواسطة صلابة الكسر

بالإضافة إلى مقاومة الصدمات الحرارية المُحددة بقوة كسر المادة، وُضعت نماذج أخرى ضمن إطار ميكانيكا الكسر . وقد وضع لو وفليك معايير لتشقق الصدمات الحرارية بناءً على تشقق مُتحكم فيه بصلابة الكسر . استندت هذه النماذج إلى الصدمات الحرارية في السيراميك (وهي مواد هشة عمومًا). بافتراض صفيحة لانهائية، ونمط تشقق من النوع الأول ، تم التنبؤ بأن الشق سيبدأ من الحافة في حالة الصدمة الباردة، ومن مركز الصفيحة في حالة الصدمة الساخنة. [ 4 ] ولتبسيط النماذج، قُسّمت الحالات إلى حالات نقل حرارة مثالي وضعيف.

نقل حراري مثالي

يقلّ الارتفاع المستدام في درجة الحرارة مع ازدياد انتقال الحرارة بالحمل (وبالتالي ازدياد رقم بيوت). ويتجلى ذلك في النموذج الموضح أدناه لانتقال الحرارة المثالي (بأنا=∞{\displaystyle \mathrm {Bi} =\infty }). [ 4 ] [ 5 ]

Δتي=أ3كأناجهـαπح{\displaystyle \Delta T=A_{3}{\frac {K_{Ic}}{E\alpha {\sqrt {\pi H}}}}} أينكأناج{\displaystyle K_{Ic}}هي مقاومة الكسر من النمط الأول ،هـ{\displaystyle E}هو معامل يونغ،α{\displaystyle \alpha }هو معامل التمدد الحراري، وح{\displaystyle H}يبلغ نصف سمك الصفيحة.

  • أ3≈4.5{\displaystyle A_{3}\approx 4.5}للصدمة الباردة
  • أ4≈5.6{\displaystyle A_{4}\approx 5.6}للصدمة الساخنة

وبالتالي، فإن مؤشر المواد لاختيار المواد في حالة نقل الحرارة المثالي المشتقة من ميكانيكا الكسر هو: كأناجهـα{\displaystyle {\frac {K_{Ic}}{E\alpha }}}

ضعف انتقال الحرارة

في الحالات التي يكون فيها انتقال الحرارة ضعيفاً، يُعدّ رقم بيوت عاملاً مهماً في تحقيق قفزة مستدامة في درجة الحرارة. [ 4 ] [ 5 ]

Δتي=أ4كأناجهـαπحكحح{\displaystyle \Delta T=A_{4}{\frac {K_{Ic}}{E\alpha {\sqrt {\pi H}}}}{\frac {k}{hH}}}

من المهم الإشارة إلى أنه في حالات ضعف انتقال الحرارة، تتمتع المواد ذات الموصلية الحرارية الأعلى ( k ) بمقاومة أعلى للصدمات الحرارية. ونتيجة لذلك، يُعدّ مؤشر المادة الأكثر شيوعًا لمقاومة الصدمات الحرارية في حالة ضعف انتقال الحرارة هو: ككأناجهـα{\displaystyle {\frac {kK_{Ic}}{E\alpha }}}

طرق الصدمة الحرارية للكينجيري

وقد وصف ويليام ديفيد كينجيري فرق درجة الحرارة اللازم لبدء الكسر بأنه: [ 6 ] [ 7 ]Δتيج=Sكσ*(1-ν)هـα1ح=SحR′{\displaystyle \Delta T_{c}=S{\frac {k\sigma ^{*}(1-\nu )}{E\alpha }}{\frac {1}{h}}={\frac {S}{hR^{'}}}} أينS{\displaystyle S}هو عامل شكل،σ*{\displaystyle \sigma ^{*}}هو إجهاد الكسر،ك{\displaystyle k}هي الموصلية الحرارية،هـ{\displaystyle E}هو معامل يونغ،α{\displaystyle \alpha }هو معامل التمدد الحراري،ح{\displaystyle h}هو معامل انتقال الحرارة، وR′{\displaystyle R'}هو معامل مقاومة الكسر. معامل مقاومة الكسر هو مقياس شائع يُستخدم لتحديد مدى تحمل المواد للصدمات الحرارية. [ 2 ]

R′=كσ*(1-v)هـα{\displaystyle R'={\frac {k\sigma ^{*}(1-v)}{E\alpha }}}

تم اشتقاق هذه الصيغ للمواد الخزفية، وتفترض وجود جسم متجانس بخصائص مادية مستقلة عن درجة الحرارة، ولكن يمكن تطبيقها بشكل جيد على المواد الهشة الأخرى. [ 7 ]

الاختبار

يُعرّض اختبار الصدمة الحرارية المنتجات لدرجات حرارة متناوبة بين المنخفضة والعالية لتسريع الأعطال الناتجة عن دورات الحرارة أو الصدمات الحرارية أثناء الاستخدام العادي. ويحدث الانتقال بين درجات الحرارة القصوى بسرعة كبيرة، تتجاوز 15  درجة مئوية في الدقيقة.

تُستخدم عادةً معدات ذات حجرة واحدة أو عدة حجرات لإجراء اختبارات الصدمة الحرارية. عند استخدام معدات الصدمة الحرارية ذات الحجرة الواحدة، تبقى المنتجات في حجرة واحدة، ويتم تبريد وتسخين هواء الحجرة بسرعة. تستخدم بعض المعدات حجرات منفصلة ساخنة وباردة مزودة بآلية رفع لنقل المنتجات بين حجرتين أو أكثر.

قد تكون الأواني الزجاجية حساسة للتغيرات المفاجئة في درجة الحرارة. إحدى طرق الاختبار تتضمن نقلها بسرعة من حمامات الماء البارد إلى حمامات الماء الساخن، ثم إعادتها إلى الماء البارد. [ 8 ]

أمثلة على فشل الصدمة الحرارية

  • كانت الصخور الصلبة التي تحتوي على عروق خام، مثل الكوارتزيت، تُكسر سابقًا باستخدام طريقة التكسير بالنار ، والتي تتضمن تسخين سطح الصخرة بنار خشبية، ثم تبريدها بالماء لتحفيز نمو الشقوق. وقد وصفها ديودور الصقلي في كتابه " مناجم الذهب المصرية" ، وبليني الأكبر ، وجورج أغريكولا . [ 9 ]
  • تتشقق مكعبات الثلج الموضوعة في كوب من الماء الدافئ بفعل الصدمة الحرارية، حيث ترتفع درجة حرارة سطحها الخارجي أسرع بكثير من درجة حرارة داخلها. تتمدد الطبقة الخارجية مع ارتفاع درجة حرارتها، بينما يبقى داخلها دون تغيير يُذكر. يُحدث هذا التغير السريع في الحجم بين الطبقات المختلفة إجهادات في الثلج تتراكم حتى تتجاوز القوة قوة تحمله، فيتشكل الشق، وأحيانًا بقوة كافية لقذف شظايا الثلج خارج الوعاء. [ 10 ]
  • تتميز المصابيح المتوهجة التي تعمل لفترة طويلة بسطح ساخن للغاية. وقد يؤدي سكب الماء البارد عليها إلى تحطم الزجاج نتيجة الصدمة الحرارية، وانفجار المصباح من الداخل. [ 11 ]
  • موقد الطهي العتيق المصنوع من الحديد الزهر عبارة عن صندوق حديدي بسيط مثبت على أرجل، وله سطح من الحديد الزهر. تُشعل نار من الخشب أو الفحم داخل الصندوق، ويُطهى الطعام على سطحه الخارجي العلوي، كما في صينية الشواء. إذا أُشعلت النار بشدة، ثم بُرّد الموقد بسكب الماء على سطحه العلوي، فسيتشقق نتيجة الصدمة الحرارية.
  • يُعتقد أن التدرج الشديد في درجة الحرارة (نتيجة إخماد النار بالماء) قد تسبب في كسر جرس القيصر الثالث . [ 12 ]
  • تُعد الصدمة الحرارية عاملاً رئيسياً في تلف حشية رأس الأسطوانة في محركات الاحتراق الداخلي. [ 13 ]

انظر أيضاً

مراجع

  1. ↑ براءة الاختراع الأمريكية رقم 6066585 ، سكوت ل. شوارتز، "السيراميك ذو معامل التمدد الحراري السالب، وطريقة صنع هذا السيراميك، والأجزاء المصنوعة من هذا السيراميك"، الصادرة في 23-05-2000، والمخصصة لشركة إيمرسون إلكتريك. 
  2. 1 2 أسكيلاند، دونالد ر.؛ رايت، ويندلين ج. (يناير 2015). "22-4 الصدمة الحرارية". علم وهندسة المواد (  الطبعة السابعة). بوسطن، ماساتشوستس. ص 792-793 . ISBN  978-1-305-07676-1. OCLC 903959750 . {{cite book}}: CS1 maint: موقع الناشر مفقود ( رابط )
  3. 1 2 آشبي، إم إف (1999). اختيار المواد في التصميم الميكانيكي ( الطبعة الثانية). أكسفورد، أوكسفورد: باتروورث-هاينمان. ISBN  0-7506-4357-9. OCLC 49708474 . 
  4. 1 2 3 4 5 6 7 سوبويجو، وولي أو. (2003). "12.10.2 اختيار المواد لمقاومة الصدمات الحرارية". الخواص الميكانيكية للمواد الهندسية . مارسيل ديكر. ISBN 0-8247-8900-8. OCLC 300921090 . 
  5. 1 2 3 4 تي. جيه. لو؛ إن. إيه. فليك (1998). "مقاومة المواد الصلبة للصدمات الحرارية" (ملف PDF) . أكتا ماتيريليا . 46 (13): 4755-4768 . Bibcode : 1998AcMat..46.4755L . doi : 10.1016/S1359-6454(98)00127-X .
  6. ↑ كينجيري، دبليو دي (يناير 1955). "العوامل المؤثرة على مقاومة الإجهاد الحراري للمواد الخزفية". مجلة الجمعية الأمريكية للخزف . 38 (1): 3-15 . doi : 10.1111/j.1151-2916.1955.tb14545.x . ISSN 0002-7820 . 
  7. 1 2 سوبويجو، وولي أو. (2003). "12.10 استجابة الصدمة الحرارية". الخواص الميكانيكية للمواد الهندسية . مارسيل ديكر. ISBN 0-8247-8900-8. OCLC 300921090 . 
  8. ↑ ASTM C149 — طريقة الاختبار القياسية لمقاومة الصدمات الحرارية للأوعية الزجاجية
  9. ↑ فايسجيربر، جيرد؛ ويليس، لين (2000). "استخدام النار في التعدين في عصور ما قبل التاريخ والعصور القديمة : إشعال النار" . باليورينت . 26 (2): 131-149 . ISSN 0153-9345 .  
  10. ↑ كينغ، دبليو دي؛ فليتشر، إن إتش (يناير 1976). "الصدمة الحرارية كآلية لتكاثر الجليد. الجزء الثاني: تجريبي" . مجلة علوم الغلاف الجوي . 33 (1): 97-102 . doi : 10.1175/1520-0469(1976)033 < 0097:TSAAIM > 2.0.CO ; 2. ISSN 0022-4928 . 
  11. ↑ "خصائص التيار والجهد للمصباح الكهربائي - مجموعة من التجارب" . physicsexperiments.eu . مؤرشف من الأصل بتاريخ 1 ديسمبر 2024. تم الاطلاع عليه بتاريخ 27 أغسطس 2025. أولًا، نقوم بتسخين قاعدة المصباح الزجاجي لعدة ثوانٍ باستخدام موقد. ثم نغمر المصباح في ماء بارد. تتسبب الصدمة الحرارية في تشقق المصباح وانفصاله عن القاعدة .
  12. ↑ ليرنر، واي إس؛ راو، بي إن (2013). مبادئ وتقنيات صب المعادن (ملف PDF) .
  13. ↑ بايتون، سكوت (11 أغسطس 2023). "الصدمة الحرارية داخل نظام التبريد وتأثيرها على الحشيات" . موتو راد . تم الاطلاع عليه بتاريخ 9 مارس 2025 .