انتقال حرارت – روش ها و مکانیزم های انتقال حرارت و گرما

انتقال حرارت یکی از پدیده های است که با هر نگاهی به اطرف خود میتوانیم ان را مشاهده کنیم. این پدیده میتوانید گاهی برای ما اذیت کننده و گاهی خوشایند باشد. به طور مثال یک حمام آب سرد  بعد از یک ظهر تابستانی میتواند برای ما بسیار ما خوشایند باشد اما در مقابل آب شدن بستنی ما در زیر نور آفتاب میتواند برای ما بسیار ناخوشایند باشد. عامل هر دو این امر اختلاف دما است. اما روش ها و مکانیزم های انتقال حرارت و انتقال گرما متفاوت است.

به طور کلی انتقال حرارت زمانی اتفاق می افتد که بین دو جسم اختلاف دما وجود داشته باشد و اگر بین دو جسم شما هیچ گونه تفاوت دمایی نباشد انتقال حرارت رخ نخواهد داد. انتقال حرارت همواره از جسم با دمای بیشتر به سمت جسم به دمای کمتر بوده و هرگز در جهت عکس رخ نخواهد داد. میتوان این پدیده را به آب تشبیه کرد که همواره از یک مخزن در ارتفاع بالاتر به سمت مخزن پایین­ تر حرکت می کند.

 روش های انتقال حرارت

روش های انتقال حرارت  کاملا متفاوت هستند. این روش ها عبارت است از :

  1. 1. انتقال حرارت به روش رسانش یا هدایت(Conduction)
  2. 2. انتقال حرارت به روش جابه جایی یا همرفت(Convection)
  3. 3. انتقال حرارت به روش تابش (Radiation)

مثلا برای درک انتقال حرارت به روش رسانش یا هدایت کافی است که سر یک میله داغ آهنی را در یک دست و سر دیگر میله را در دست دیگر خود بگیرید متوجه خواهید شد پس از گذر زمان سر سرد میله گرم خواهد شد. در ادامه به توضیح این مکانیزم های انتقال گرما خواهیم پرداخت. باید بدانیم که :

  • انتقال حرارت به روش رسانس ( Conduction ) به دلیل ارتعاش مولوکولی و حرکت الکترون ها است.
  •  انتقال حرارت به روش جا به  جایی و همرفت (Convection) به دلیل حرکت سیال است.
  • انتقال حرارت به روش تابش (Radiation ) به دلیل موج های الکترومغناطیس است.

روش های انتقال حرارت و گرما

انتقال حرارت به روش هدایت یا رسانش (Conduction)

انتقال گرما در اجسام جامد به روش هدایتی انجام می شود. در کوره ها و در دیگ ها، گرمای شعله از طریق بدنه ی فولادی یا چدنی اتاقک احتراق به سیال طرف دیگر که هوا یا آب است انتقال می یابد. وقتی جسم گرم می شود میانگین سرعت مولکول هایش به سرعت افزایش می یابد. مولکول های با انرژی بالا به مولکول های نزدیک برخورد نموده و آن ها را نیز به حرکت وامی دارند. بدین ترتیب انرژی گرمایی در اجسام جامد انتقال می یابد. این روش انتقال حرات در دو فاز مایع و جامد رخ می­دهد.

به دلیل اختلاف در ساختمان مولکولی، هدایت در جامدات بیشتر از مایعات و در مایعات بیشتر از گازهاست. چون مکانیزم انتقال گرما به روش هدایت با تماس مستقیم مولکول ها انجام می شود و فاصله مولکول های گازها از هم زیاد است انتقال حرارت به روش هدایت در گازها مشکل تر است.
مقدار گرمای انتقال یافته از یک جسم به روش هدایت به عوامل زیر بستگی دارد.

معادله انتقال حرارت هدایتی

  1. 1- اختلاف دمای سطح گرم و سطح سرد: اختلاف دما علت انتقال گرماست بنابراین هرچه بیشر شود انتقال حرارت بیشتر خواهد شد.
  2. 2- سطح مقطع جسم (A): بدیهی است هرچه سطح بزرگ تر باشد مولکول هایی که گرما را منتقل می نمایند بیش تر خواهند بود.
  3. 3- ضخامت جسم (x): هدایت گرما با ضخامت جسم یا به عبارت دیگر فاصله بین سطح گرم و سطح سرد رابطه معکوس دارد. یعنی هرچه ضخامت جسم کم تر باشد هدایت گرما بیش تر خواهد بود.
  4. 4- زمان عبور گرما (T)
  5. 5- قابلیت هدایت گرمایی یا قابلیت گرما رسانی (K): تمام مواد نمی توانند گرما را با شدت یکسان هدایت نمایند. فلزات هادی یا گرما رسان های خوبی هستند. شیشه، آجر، بتن و چوب نسبتا هادی هستند و چوب پنبه، پشم سنگ، پلی اورتان و پلی استایرن هادی های خیلی ضعیف هستند. هادی های خیلی ضعیف را عایق یا گرمابند (Insulator) می نامند.
حتما بخوانید #
اصول و کاربردهای آیرودینامیک ( آموزش مباحث به زبان ساده ) - جسم ایرودینامیک چیست ؟

انتقال حرارت به روش جابه جایی یا همرفت (Convection)

همان طور که قبلا بیان شد مایعات و گازها گرمای قابل توجهی را هدایت نمی کنند. انتقال گرما در مایعات و گازها به وسیله روش جا به جایی صورت می گیرد. جریان باد در سراسر کره زمین، گرمایی که از روی شعله بالا می رود، مکش دودکش بخاری نمونه هایی از مکانیزم انتقال حرارت همرفت طبیعی هستند.

استفاده از یک پمپ برای گردش آب گرم و سرد یا استفاده از یک بادبزن برای به جریان انداختن هوا نمونه هایی از انتقال حرارت جا به جایی اجباری هستند. در هر حال همرفت ، انتقال گرما به وسیله حرکت مولکول ها از یک محل به محل دیگر است. بدین صورت که مولکول های گرم شده از یک محل به محل دیگر حرکت کرده و گرما را با خود جابه جا می کنند. هوا در اثر تماس با وسیله گرم کننده مانند رادیاتور یا بخاری گرم شده، انبساط می یابد و در نتیجه سبک تر شده، به طرف بالا حرکت می کند و هوای سرد و سنگین به آرامی جای آن را می گیرد و این عمل تکرار می شود.

این دسته از انتقال حرارت در نتیجه حرکت سیال بوده و به عوامل زیر وابسته است:

  1. 1- نرخ انتقال حرارت وابسته به سرعت سیال و ویژگی های سیال می باشد.
  2. 2- خصوصیات سیال میتواند به تغییرات دما عوض شود.

انتقال حرارت جا به جایی همرفت

در شکل بالا مشاهده می­کنید با بین دو سیال سرد و گرم انتقال حرارت به صورت convection رخ داده است. معادله انتقال حرارت در این روش را میتوان به صورت زیر بیان کرد.

معادله انتقال حرارت جا به جایی

ضریب انتقال حرارت در فرمول بالا معمولا به صورت ثایت نبوده و وابسته به دما می­باشد. انتقال حرارت به روش convection  به سه دسته تقسیم بندی می­ شود:

1- جابه جایی طبیعی(Natural Convection)

انتقال گرما جا به جایی طبیعیسیال به دلیل اثرات بویانسی (buoyancy effect) حرکت می­کند. در این روش با گرم شدن سیال چگالی آن کاهش پیدا می­کند(هوای گرم به دلیل چگالی کمتر به بالا حرکت کرده و هوای سرد به سمت پایین، جهت حرکت سیال گرم در جهت مخالف جاذبه می­باشد) .
برای محاسبه نیروی خالص وارد شده به سیال میتوان از فرمول زیر استفاده کرد.

همان طور که مشاهده می­شود این فرمول بیانگر تغییرات چگالی بوده که عامل اصلی  انتقال حرارت به روش جابه جایی طبیعی(Natural Convection) است.

تغییرات چگالی انتقال حرارت طبیعی

2- جابه جایی اجباری(Forced Convection)

سیال توسط یک وسیله خارجی مانند فن حرکت می­کند.

انتقال گرما همرفت اجباری

3- جابه جایی جوششی(Boiling Convection)

ظرف سیال به اندازه کافی گرم بوده تا موجب تغییر فاز سیال شود.

انتقال حرارت روش جوشش

عددی رایلی (Rayleigh number)

در مکانیک سیالات، عدد رایلی عدد بدون بعدی است که متناسب است با نیروی شناوری. وقتی عدد رایلی در یک سیال، پایین تر از مقدار بحرانی آن است، انتقال حرارت به طور عمده به صورت هدایت اتفاق می افتد. وقتی این عدد بالاتر از مقدار بحرانی باشد، بخش اصلی انتقال گرما به فرم جابجایی است. این عدد، حاصل ضرب عدد گراشوف در عدد پرانتل است:

عدد رایلی

خصوصیات سیال در انتقال حرارت جابه جایی طبیعی توسط عددی رایلی مشخص می­گردد.  شما با استفاده از این عدد میتوانید مشخص کنید که رژیم در کدام دسته آشفته یا آرام قرار می­گیرد.

در  اغلب موارد انتقال گرما به روش جا به جایی هم به صورت طبیعی رخ داده و هم به صورت اجباری، برای تشخیص پدیده غالب عدد فرود محاسبه می­ شود . در صورتی که این عدد کوچکتر از یک باشد انتقال گرما جابه جایی (Convection ) به صورت اجباری می­ باشد. در صورتی که بزرگتر از یک باشد انتقال گرما به صورت طبیعی می­باشد.

عدد فرود

حتما بخوانید #
سیال نیوتنی و غیرنیوتنی - طبقه بندی سیالات غیرنیوتنی - کاربرد سیالات غیر نیوتنی

انتقال حرارت به روش تابش: 

انتقال گرما به روش تابش به صورت حرکت موجی نظیر امواج نور است و بدون دخالت ماده واسطه از جسمی به جسمی دیگر منتقل می شود. بیش ترین انرژی گرمایی کره زمین به روش تابش از خورشید تامین می گردد. امواج گرمایی بر اساس دمای جسم منتشر کننده موج ممکن است قابل رویت یا نامرئی باشند مثلا اگر فلزی به اندازه کافی گرم شود سرخ شده و امواج گرمایی قابل رویت (نور) منتشر می کند.

هنگامی که امواج تابشی مرئی و نامرئی به جسم برخورد نمایند سه بخش می شوند: بخشی از جسم عبور می کند، بخشی منعکس می شود و قسمت دیگر جذب آن می گردد. بخشی از امواج تابشی که جذب جسم می شوند باعث بالا رفتن دمای آن جسم می گردد. اجسام با رنگ روشن و سطح براق مثل آینه بخش عمده انرژی تابشی را منعکس می کنند در حالی که مواد با سطح تیره و زبر بیشتر انرژی تابشی را جذب می کنند.

جسم جذب کننده کامل را جسم سیاه می گویند. اجسام شفاف مانند شیشه و هوا بیشتر امواج تابشی را از خود عبور می دهند. دیوارهای  رو به آفتاب ساختمان، به علت جذب انرژی تابشی دمای بالاتر از دمای محیط دارند. شیشه پنجره ها مقدار زیادی انرژی تابشی را به داخل ساختمان انتقال می دهند. ساختمان با شیشه خارجی زیاد و رو به آفتاب به عنوان یک تله گرمایی عمل می کند که در زمستان مطلوب است.

انتقال گرما به روش تابشی

مقدار تابش به دمای منبع و به نوع سطح بستگی دارد. سطوح سیاه و ناصاف تابش کننده و جذب کننده خوبی هستند ولی سطوح براق، صاف و روشن تابش کننده و جذب کننده ضعیفی هستند چون بیشتر انرژی تابشی را منعکس می کنند.

انتقال حرارت – روش ها و مکانیزم های انتقال حرارت و گرما
5 (100%) 2 votes

admin

دیدگاه کاربران ...

تعداد دیدگاه : 0

    لطفا قبل از ارسال سئوال یا دیدگاه سئوالات متداول را بخونید.
    جهت رفع سوالات و مشکلات خود از سیستم پشتیبانی سایت استفاده نمایید .
    دیدگاه ارسال شده توسط شما ، پس از تایید توسط مدیران سایت منتشر خواهد شد.
    دیدگاهی که به غیر از زبان فارسی یا غیر مرتبط با مطلب باشد منتشر نخواهد شد.

    دیدگاه خود را بیان کنید