انتقال الحرارة
انتقال[1] [2] الحرارة هو أحد تخصصات الهندسة الحرارية التي تتعلق بتوليد واستخدام وتحويل وتبادل الطاقة الحرارية (الحرارة) بين الأنظمة الفيزيائية. يتم تصنيف انتقال الحرارة إلى آليات مختلفة ، مثل التوصيل الحراري ، والحمل الحراري ، والإشعاع الحراري ، ونقل الطاقة عن طريق تغيرات الطور. ينظر المهندسون أيضًا في نقل كتلة الأنواع الكيميائية المختلفة ، سواء كانت باردة أو ساخنة ، لتحقيق نقل الحرارة. في حين أن هذه الآليات لها خصائص مميزة ، إلا أنها غالبًا ما تحدث في نفس الوقت في نفس النظام.
بشكل عام ، يصف نقل الحرارة تدفق الحرارة (الطاقة الحرارية) بسبب اختلافات درجة الحرارة وتوزيع الحرارة والتغيرات اللاحقة.
تتعلق دراسة ظواهر النقل بتبادل الزخم والطاقة والكتلة في شكل التوصيل والحمل الحراري والإشعاع. يمكن وصف هذه العمليات من خلال الصيغ الرياضية.
تم العثور على أساسيات هذه الصيغ في قوانين الحفاظ على الزخم والطاقة والكتلة بالاشتراك مع القوانين التأسيسية ، العلاقات التي لا تصف فقط الحفظ ولكن أيضًا تدفق الكميات التي تنطوي عليها هذه الظواهر. لهذا الغرض ، يتم استخدام المعادلات التفاضلية لوصف القوانين المذكورة والعلاقات التأسيسية بأفضل طريقة ممكنة. حل هذه المعادلات طريقة فعالة لاستقصاء النظم والتنبؤ بسلوكها.
ويمكن تعريف انتقال الحرارة بإنّه العلم الذي يتعامل مع إيجاد معدلات انتقال الطاقة الحراريّة بوجود اختلاف في درجات الجرارة حيث إنّّ اختلاف درجات الحرارة هي قوّة دافعة لإنتقال الحرارة، وذلك كثير الشبه بالقوة الدافعة الكهربائيّة التي تنشأ عند اختلاف الإجهاد الكهربائي (Volt) والقوّة الدافعة للسوائل عند اختلاف الضغط.
تطبيقات انتقال الحرارة
عدل- التبريد والتكييف
- الغلايات
- المبادلات الحرارية
- ميكانيكا السيارات
- السخانات الشمسية
آليّات إنتقال الحرارة
عدلتنتقل الحرارة بأحد الطرق الآتية: التوصيل، الحمل والإشعاع، وذلك بإفتراض وجود فرق في درجات الحرارة ليتم إتنقال الحرارة من درجة الحرارة الأعلى إلى درجة الحرارة الأدنى.
التوصيل
عدل
هو انتقال الحرارة من الجزيئات الأكثر نشاطاً إلى الجزيئات المجاورة الأقل نشاطاً كنتيجة للتفاعل بين الجزيئات، ويشمل الحالة الصلبة، السائلة، والغازيّة للمواد. في حالات المادّة السائلة والغازيّة تتنقل الحرارة بالتوصيل بسبب تصادم وإنتشار المولات خلال حركتها العشوائيّة. أمّا الحالة الصلبة فبسبب مجموعة الإهتزازات للمولات في المادّة ويحدث ذلك الإنتقال بواسطة الإلكترونات الحرّة.
هناك مقياس لقابليّة المادة على توصيل الحرارة فعلى سبيل المثال قابليّة الماء على توصيل الحرارة تختلف عن قابليّة الحديد الصلب وهكذا، بإعتبار الحرارة تنتقل بصورة منتظمة خلال سطح ما بمساحة (A) كما في الشكل المجاور، وفرق درجات الحرارة Δx بين سطحي الجسم، فإن التجارب توضّح بأن الحرارة (Q) تنتقل عندما يكون هناك فرق في درجات الحرارة ووفق الصيغة الرياضيّة التالية:
Q(conduction)=KA(ΔT/Δx) ووحدة قياسها بالواط (W).
حيث أن K هو موصليّة المادة للحرارة، قابليّة المادة لتوصيل الحرارة. وعند حساب الغاية حيث ΔX تقترب من الصفر تكون الصيغة التالية:
Q(conduction)=KA(dT/dx) وذلك ما يدعى بقانون فورير.
الحمل
عدل
أحد أنواع انتقال الطاقة بين سطح صلب ومائع مجاور سائل أو غازي، ويشمل تأثير متداخل من التوصيل الحراري وحركة السائل، هو نوع انتقال الطاقة بين سطح صلد ومائع مجاور في حركة له. يدعى بالحمل القسري، ويحدث عند جريان المائع بواسطة قوى خارجيّة مثل المراوح، المضخّات، أو تأثير الرياح، وكما هو واضح، أمّا انتقال الطاقة الحراريّة بتأثير طبيعي أو حر خلال الطبيعة، فيسمّى الحمل الطبيعي أو الحر، حيث انتقال الحرارة تتسبب في تحريك السائل المجانب لسطح معيّن ويسبب ذلك تغيّر في كثافة السائل من خلال تغيّر درجات الحرارة.
بإعتبار تعقيد حسابات انتقال الحرارة بالحمل، يكون حساب معدل انتقال الحرارة بالحمل بتزايد طردي مع تغير درجات الحرارة، ويمكن التعبير عنه بقانون نيوتن للتبريد كلآتي:
Q(convection)= hA(Ts-Tinfinty)
حيث أن h هو معامل انتقال الحرارة بالحمل و A هو المساحة السطحية حيث يحدث الإنتقال.
الإشعاع
عدل
هو الطاقة المنبعثة بواسطة المادة التي تتكون من موجات كهرومغناطيسيّة أو (فوتونات) كنتيجة لتغيّر للشكل الإلكتروني للذرّة أو الجزيئات. وعلى العكس من انتقال الحرارة بالتوصيل أو بالإشعاع فإن انتقال الحرارة بالإشعاع لا يحتاج إلى وسط ليحدث. وهي أسرع طريقة للحصول (بسرعة الضوء) وحصولها بدون مشاكل في الفراغ. مثل طريقة انتقال الحرارة من الشمس إلى الأرض.
طريقة حساب الحرارة المنتقلة بواسطة الإشعاع:
Q(radiation)=εσ A(Ts)^4
حيث σ=5.67*(10)^-8 (W) ويدعى ثابت ستيفان-بولتزمان
و ε يمثل إنبعاثيّة المادّة، حيث قيمته بين الصفر والواحد ويكون في الجسم الأسود يساوي واحد، حيث يعتبر الجسم الأسود مثالي في الإشعاع ويسجل أعلى قيمة له.
أنظر أيضاً
عدل| هناك المزيد من الصور والملفات في ويكيميديا كومنز حول: انتقال الحرارة |