آشنایی با مفهوم انتقال حرارت و مکانیزم های آن

انتقال گرما

علم انتقال گرما یا انتقال حرارت به تحلیل آهنگ انتقال گرما در سیستم می‌پردازد. انتقال انرژی از طریق شارش گرما را نمی‌توان مستقیما اندازه‌گیری کرد ولی این انتقال چون به یک کمیت قابل اندازه‌گیری به نام دما ارتباط دارد، دارای مفهوم فیزیکی است.

گرما

گرما صورتی از انرژی است که به علت اختلاف دما بین دو سیستم، از یکی به دیگری منتقل می‌شود. (گرما همواره در حال عبور از مرزهای سیستم است.)

دما

کمیتی است بیانگر مقدار گرمای یک جسم. دما معیاری است برای تعیین میزان گرمی یا سردی یک جسم.

یکای این کمیت در سیستم متریک کلوین می‌باشد. سایر واحدهای این کمیت عبارت‌اند از:

درجه سلسیوس (درجه سانتیگراد)
درجه فارنهایت

درجه رانکین نیز واحدی برای اندازه‌گیری دما است. ۲ واحد سانتی گراد و فارنهایت دمای نسبی، و ۲ واحد کلوین و رانکین دمای مطلق هستند. در واقع کلوین همان صفر مطلق در سیستم متریک است.

برخی از دماهای مهم

موضوع دما بر حسب سانتیگراد

نقطهٔ جوش هیدروژن مایع ۲۳۵-
نقطهٔ جوش اکسیژن مایع ۱۸۳-
نقطهٔ انجماد الکل ۱۱۵-
نقطهٔ انجماد جیوه ۳۹-
نقطهٔ ذوب یخ ۰
دمای بدن انسان سالم ۳۷
نقطهٔ جوش الکل ۷۹
نقطهٔ جوش آب ۱۰۰
نقطهٔ جوش جیوه ۳۵۷
نقطهٔ ذوب طلا ۱۰۶۷
دمای هستهٔ زمین ۳۷۰۰
دمای سطح خورشید ۵۷۰۰

سامانه

سامانه یا سیستم (به انگلیسی: System) مجموعه یا گروهی از اشیاء مرتبط یا غیر مرتبط است که هدف یا اهدافی خاص را دنبال می‌کنند، به گونه‌ای که واحدی پیچیده را تشکیل دهند.

سامانه یا سیستم (منظومه، و دستگاه هم گفته شده است؛ مانند: منظومهٔ شمسی - Solar system، و دستگاه معادلات خطّی - System of linear equations) چیده‌ای از عناصر پیوسته‌ای است که یک تمامیت یگانه را تشکیل می‌دهند. چنین ترکیب و چیده‌ای معمولاً مجموعه‌ای منظم را درست می‌کند و به همین رو به آن سامانه می‌گویند که از واژه پارسی سامان به معنی نظم و ترتیب گرفته شده‌است. به بخشی از یک سامانه که خود جزئی از یک سامانه دیگر باشد زیرسامانه می‌گویند. یک سامانه معمولاً دربرگیرنده بخش‌ها و عناصری است که بهم پیوسته شده‌اند تا جریان و روند داده‌ها، ماده یا انرژی را آسان تر سازند. یک سامانه معمولاً واحدهایی دارای برهمکنش دارد که برای آنها می‌توان الگوهای ریاضی تشکیل داد.

شرط انتقال حرارت

شرط انتقال حرارت خود به خودی، اختلاف دما است. اگر دو سیستم در حال ارتباط با یکدیگر هم‌دما نباشند، گرما از ناحیهٔ پر دما (گرم) به ناحیهٔ کم دما (سرد) جریان می‌یابد. و این جریان تا زمانی ادامه می‌یابد که دو سیستم هم‌دما شوند.

چون گرما به دلیل وجودِ گرادیان دمایی شارش می‌یابد، دانستن توزیع دما ضروری است.

گرادیان

در حسابان بردارها گرادیانِ یک میدان نرده‌ای، میدانی برداری‌است که مؤلفه‌های آن نرخ تغییر میدان نخستین را در جهت‌های مختلف نشان می‌دهد. جهت خود میدان برداری گرادیان جهت بیشینهٔ تغییرات است. در بحث مواد رادیو اکتیو نیز از فرمول‌های زیسس استفاده شده است

به تعبیر دیگربرداری را که اندازه و جهت حد اکثر نرخ فضائی افزایش یک کمیت عددی را نمایش می‌دهد؛ گرادیان آن کمیت عددی تعریف می‌کنیم.

$\nabla f=\left({\frac {\partial f}{\partial x_{1}}},\dots ,{\frac {\partial f}{\partial x_{n}}}\right).$

در حالت خاص برای اسکالر ‎ $f(x,y,z)$ ‎، گرادیان f در دستگاه کارتزین به صورت زیر نوشته می‌شود:

{\mbox{grad}}\,f={\partial f \over \partial x}\mathbf {i} +{\partial f \over \partial y}\mathbf {j} +{\partial f \over \partial z}\mathbf {k} =\nabla f

کاربرد

مسئلهٔ توزیع دما و شارش گرما در بسیاری از شاخه‌های علوم و مهندسی مطرح است. مثلاً در طراحی دیگ‌های بخار، چگالنده‌ها (کْندانسورها)، مبدل‌های حرارتی و رادیاتورها تحلیل انتقال گرما برای محاسبهٔ اندازهٔ آنها لازم است.

روش‌های انتقال گرما

رسانش
همرَفت
تابش

رسانش

وقتی در محیط ساکنی، که می‌تواند جامد یا سیال باشد، شیب دما وجود دارد برای انتقال گرمایی که در محیط روی می‌دهد از واژهٔ رسانش استفاده می‌کنیم. هنگام بحث در مورد رسانش باید مفاهیمی چون فعالیت اتمی و مولکولی را مورد توجه قرار دهیم زیرا فرایندها در این سطوح است که انتقال گرما راتداوم می‌بخشند. رسانش را به عنوان انتقال انرژی از ذرات پر انرژی به ذرات کم انرژی ماده، بر اثر برهم کنش‌های بین آن‌ها می‌توان دانست.

نمونه‌هایی از انتقال گرمای رسانشی:

انتهای آزاد یک قاشق فلزی که به طور ناگهانی در فنجان قهوهٔ داغی غوطه ور می‌شود.

انرژی زیادی که در یک روز سرد زمستانی از اتاق گرمی به هوا ی خارج منتقل می‌شود.

در انتقال حرارت هدایتی رابطه زیر را خواهیم داشت: ${q_{s}}''=-k{\frac {dT}{dx}}={\frac {k}{L}}(T_{1}-T_{2})$ که k همان ضریب هدایت حرارتی می‌باشد.

جابجایی

برای انتقال گرمای بین سطح و سیالی متحرک، که دمای آن‌ها با هم متفاوت است، از واژهٔ جابجایی استفاده می‌شود. انتقال گرمای جابجایی از دو مکانیزم تشکیل می‌شود. یکی انتقال انرژی ناشی از حرکت تصادفی مولکول‌ها (پخش) و دیگری انتقال انرژی بر اثر حرکت کپه‌ای (ماکروسکوپیک) سیال. وقتی که جریان توسط وسایل خارجی از قبیل فن و یا پمپ به وجود بیاید جابجایی واداشته داریم. در مقابل در جابجایی آزاد، جریان بر اثر نیروهای شناوری بوجود می‌آید.

نمونه‌ای از انتقال گرمای جابجایی:

فن‌های کامپیوتر که بردهای داخل کیس کامپیوتر را خنک می‌کنند.

انتقال حرارت جابجایی شامل دو مکانیزم است:

بواسطه حرکت تصادفی ملکولها (Diffusion)بخش انرژی بواسطه حرکت توده سیال (حرکت ماکروسکوپی سیال) در نزدیکی سطح که سرعت خیلی کوچک است انتقال حرارت بصورت Diffusion صورت می‌گیرد بتدریج که از سطح دور می‌شویم انتقال حرارت بوسیله حرکت توده سیال صورت می‌گیرد.

{\dot {Q}}=hA(T_{s}-T_{b})

تشعشع

تمام سطوح با دمای معین انرژی را به شکل امواج الکترومغناطیس گسیل می‌دارند. از این رو، در نبود محیط واسط، میان دو سطح با دماهای مختلف انتقال گرمای خالص تشعشعی را داریم. به عبارتی دیگر تشعشع گرمایی، انرژی گسیل شده توسط ماده‌ای است که در دمای معینی قرار دارد. تشعشع می‌تواند از سطح جامدات، مایعات و حتی گازها نیز صورت بگیرد. به طور کلی ماده به هر شکلی که باشد، گسیل انرژی را می‌توان به تغییرات وضعیت الکترون‌های اتم‌ها یا مولکول‌های تشکیل دهندهٔ آن ارتباط داد. انتقال حرارت به شیوهٔ تشعشع بر خلاف دو شیوهٔ دیگر نیازمند فضای مادی نیست.

نمونه‌ای از انتقال گرمای تشعشی:

انتقال حرارت از سطح یک فلز داغ سرخ شده.

تشعشع حرارتی به نوعی از انرژی گفته می‌شود که از ماده‌ای با دمای معین صادر می‌گردد. صدور انرژی به تغییرات ترکیب الکترونی اتمها و مولکولهای متشکله وابسته است.

انرژی میدان تشعشع توسط امواج الکترومغناطیسی (یا فتونها) انتقال پیدا می‌کند. همهٔ اجسام بااستفاده ازاین امواج دردمای بیشتر از صفر کلوین ازخود انرژی ساطع می‌کنند. به این نوع انتقال حرارت، تابش جابجایی می‌گویند.

خلاصه

خلاصه مطالب و جدول مقاومت‌های حرارتی در سه حالت:

معادلات انتقال حرارت و مقاومت گرمایی معادل.
نوع انتقال حرارت	نرخ انتقال حرارت	مقاومت حرارتی
رسانش	${\dot {Q}}={\frac {T_{1}-T_{2}}{\frac {L}{kA}}}$	${\frac {L}{kA}}$
جابجایی	${\dot {Q}}={\frac {T_{surf}-T_{envr}}{\frac {1}{h_{conv}A_{surf}}}}$	${\frac {1}{h_{conv}A_{surf}}}$
تشعشع	${\dot {Q}}={\frac {T_{surf}-T_{surr}}{\frac {1}{h_{r}A_{surf}}}}$	${\frac {1}{h_{r}A}}$ $h_{r}=a\sigma A_{surf}(T_{surf}+T_{surr})(T_{surf}^{2}+T_{surr}^{2})$

مثال:

بررسی انتقال حرارت در فلاسک چای:

در فلاسک چای اگر شرایط واقعی را بخواهیم در نظر بگیریم، هر 3 راه انتقال حرارت رسانشی، جابجایی، تشعشعی وجود دارد. هدف از ایجاد فلاسک این است که چای و یا محتوای خود را از انتقال حرارت با محیط بازدارد، و آهنگ انتقال گرما را به شدت کاهش دهد. از آنجایی که رسانش نیاز به ماده دارد بخش گسترده‌ای از بدنه فلاسک را با جداره‌ای که بین آن خلاء ایجاد شده می‌پوشانند. برای جلوگیری از انتقال گرمای جابجایی نیز باید از بزرگ در نظر گرفتن اندازه فلاسک بدون نیاز، پرهیز کرد. با توجه به اینکه اثر انتقال حرارت رسانش و جابجایی تا حدود زیادی با این روش‌ها کاهش می‌یابد به سراغ انتقال حرارت تشعشعی می‌رویم. برای کاهش این نوع از انتقال حرارت نیز جداره را آینه‌ای می‌سازیم تا اثر تابش نیز ناچیز شود.

نکته: در حل مسائل، زمانی که مقدار انتقال حرارت جابجایی و رسانش کوچک باشد نباید از انتقال حرارت تشعشعی صرف نظر کرد، همچنین در صورت بزرگ بودن {T_{1}+T_{۲}}{۲} </math>

مقدار ${\bar {T}}$ را بدست می‌آوریم اگر مقدار آن با مقدار حدس اولیه برابر بود که همین در نظر می‌گیریم در غیر این صورت همین مقدار بدست آمده به عنوان حدس اولیه جدید فرض کرده و دوباره روند قبلی را طی می‌کنیم تا به جواب دست پیدا کنیم.