انواع انتقال حرارت: ضریب انتقال حرارت

2024 نویسنده: Howard Calhoun | [email protected]. آخرین اصلاح شده: 2023-12-17 10:25

هر جسم مادی دارای ویژگی هایی مانند گرما است که می تواند کم و زیاد شود. گرما یک ماده مادی نیست: به عنوان بخشی از انرژی درونی یک ماده، در نتیجه حرکت و تعامل مولکول ها ایجاد می شود. از آنجایی که گرمای مواد مختلف ممکن است متفاوت باشد، فرآیندی برای انتقال گرما از ماده داغتر به ماده ای با گرمای کمتر وجود دارد. این فرآیند انتقال حرارت نامیده می شود. در این مقاله انواع اصلی انتقال حرارت و مکانیسم های عمل آنها را بررسی خواهیم کرد.

تعیین انتقال حرارت

انتقال گرما یا فرآیند انتقال دما می تواند هم در داخل ماده و هم از یک ماده به ماده دیگر رخ دهد. در عین حال، شدت انتقال حرارت تا حد زیادی به خواص فیزیکی ماده، دمای مواد (اگر چندین ماده در انتقال حرارت شرکت کنند) و قوانین فیزیک بستگی دارد. انتقال حرارت فرآیندی است که همیشه به صورت یک طرفه پیش می رود. اصل اصلی انتقال حرارت این است که گرم ترین جسم همیشه به جسمی با دمای پایین تر گرما می دهد. مثلاً هنگام اتو کردن لباس، اتوی داغبه شلوار گرما می دهد و نه برعکس. انتقال حرارت پدیده ای وابسته به زمان است که توزیع برگشت ناپذیر گرما در فضا را مشخص می کند.

مکانیسم های انتقال حرارت

مکانیسم های برهمکنش حرارتی مواد می تواند اشکال مختلفی داشته باشد. سه نوع انتقال حرارت در طبیعت وجود دارد:

1. رسانایی حرارتی مکانیسم انتقال حرارت بین مولکولی از یک قسمت بدن به قسمت دیگر یا به جسم دیگر است. این ویژگی بر اساس ناهمگنی دما در مواد مورد نظر است.
2. همرفت - تبادل حرارت بین محیط های سیال (مایع، هوا).
3. عمل تشعشع عبارت است از انتقال گرما از اجسام گرم و گرم شده (منابع) ناشی از انرژی آنها به صورت امواج الکترومغناطیسی با طیف ثابت.

بیایید انواع ذکر شده انتقال حرارت را با جزئیات بیشتر در نظر بگیریم.

رسانایی حرارتی

اغلب، هدایت حرارتی در جامدات مشاهده می شود. اگر تحت تأثیر هر عاملی، مناطقی با دماهای متفاوت در یک ماده ظاهر شوند، انرژی حرارتی از یک منطقه گرمتر به یک منطقه سرد منتقل می شود. در برخی موارد، این پدیده حتی به صورت بصری قابل مشاهده است. به عنوان مثال، اگر یک میله فلزی، مثلاً یک سوزن را برداریم و آن را روی آتش گرم کنیم، پس از مدتی خواهیم دید که چگونه انرژی حرارتی از طریق سوزن منتقل می شود و در یک ناحیه خاص درخشش ایجاد می کند. در عین حال، در مکانی که درجه حرارت بالاتر است، درخشش روشن تر و برعکس، جایی که t کمتر است، تاریک تر است. انتقال گرما را می توان بین دو بدن نیز مشاهده کرد (یک لیوان چای داغ و یک دست)

شدت انتقال شار حرارتی به عوامل زیادی بستگی دارد که نسبت آنها توسط ریاضیدان فرانسوی فوریه فاش شد. این عوامل در درجه اول شامل گرادیان دما (نسبت اختلاف دما در انتهای میله به فاصله یک سر به سر دیگر)، سطح مقطع بدنه و ضریب هدایت حرارتی (نسبت اختلاف دما در انتهای میله) است. برای همه مواد متفاوت است، اما بیشترین آن در فلزات مشاهده می شود). مهمترین ضریب هدایت حرارتی در مس و آلومینیوم مشاهده می شود. جای تعجب نیست که این دو فلز بیشتر در ساخت سیم های برق استفاده می شوند. طبق قانون فوریه، شار گرما را می توان با تغییر یکی از این پارامترها افزایش یا کاهش داد.

انواع انتقال حرارت جابجایی

همرفت که مشخصه عمدتاً گازها و مایعات است، دو جزء دارد: هدایت حرارتی بین مولکولی و حرکت (توزیع) محیط. مکانیسم عمل همرفت به شرح زیر است: با افزایش دمای یک ماده سیال، مولکول های آن شروع به حرکت فعال تر می کنند و در صورت عدم وجود محدودیت های مکانی، حجم ماده افزایش می یابد. پیامد این فرآیند کاهش چگالی ماده و حرکت رو به بالا آن خواهد بود. یک مثال بارز از همرفت حرکت هوای گرم شده توسط رادیاتور از باتری به سقف است.

تمایز بین انواع همرفتی آزاد و اجباری انتقال حرارت. انتقال حرارت و حرکت جرم در نوع آزاد به دلیل ناهمگونی ماده اتفاق می افتد، یعنی مایع داغ از سطح طبیعی سرد بالاتر می رود.بدون اینکه تحت تأثیر نیروهای خارجی قرار گیرد (به عنوان مثال گرم کردن یک اتاق با گرمایش مرکزی). با جابجایی اجباری، حرکت جرم تحت تأثیر نیروهای خارجی رخ می دهد، به عنوان مثال، هم زدن چای با قاشق.

انتقال حرارت تابشی

انتقال حرارت تابشی یا تابشی می تواند بدون تماس با جسم یا ماده دیگری رخ دهد، بنابراین حتی در فضای بدون هوا (خلاء) امکان پذیر است. انتقال حرارت تشعشعی در همه اجسام به میزان کم یا زیاد ذاتی است و خود را به صورت امواج الکترومغناطیسی با طیف پیوسته نشان می دهد. نمونه بارز آن خورشید است. مکانیسم عمل به شرح زیر است: بدن به طور مداوم مقدار معینی از گرما را به فضای اطراف خود می تاباند. وقتی این انرژی به جسم یا ماده دیگری برخورد می کند، بخشی از آن جذب می شود، قسمت دوم از آن عبور می کند و قسمت سوم به محیط منعکس می شود. هر جسمی می‌تواند هم گرما ساطع کند و هم جذب کند، در حالی که مواد تاریک می‌توانند گرمای بیشتری نسبت به مواد نور جذب کنند.

مکانیسم های انتقال حرارت ترکیبی

در طبیعت، انواع فرآیندهای انتقال حرارت به ندرت به طور جداگانه یافت می شوند. اغلب آنها را می توان با هم دید. در ترمودینامیک، این ترکیبات حتی نام هایی نیز دارند، مثلاً رسانایی حرارتی + همرفت، انتقال حرارت همرفتی است و هدایت حرارتی + تابش حرارتی را انتقال حرارت تابشی-رسانا می نامند. علاوه بر این، انواع ترکیبی از انتقال حرارت وجود دارد:

• دفع گرما -حرکت انرژی حرارتی بین گاز یا مایع و جامد.
• انتقال حرارت عبارت است از انتقال t از یک ماده به ماده دیگر از طریق یک مانع مکانیکی.
• انتقال حرارت تابشی همرفتی با ترکیب همرفت و تابش حرارتی شکل می گیرد.

انواع انتقال حرارت در طبیعت (مثال)

انتقال گرما در طبیعت نقش بسزایی دارد و به گرم شدن کره زمین توسط پرتوهای خورشید محدود نمی شود. جریان های همرفتی گسترده، مانند حرکت توده های هوا، تا حد زیادی آب و هوا را در سراسر سیاره ما تعیین می کند.

هدایت حرارتی هسته زمین منجر به ظهور آبفشان ها و فوران سنگ های آتشفشانی می شود. اینها تنها چند نمونه از انتقال حرارت در مقیاس جهانی هستند. آنها با هم انواع انتقال حرارت همرفتی و انواع انتقال حرارت تابشی-رسانایی لازم برای حفظ حیات در سیاره ما را تشکیل می‌دهند.

استفاده از انتقال حرارت در فعالیت های مردم شناسی

گرما جزء مهم تقریباً همه فرآیندهای تولید است. دشوار است که بگوییم کدام نوع تبادل حرارت توسط انسان بیشتر از همه در اقتصاد ملی استفاده می شود. احتمالا هر سه در یک زمان. فرآیندهای انتقال حرارت برای ذوب فلزات استفاده می‌شود و مجموعه وسیعی از کالاها از اقلام روزمره گرفته تا فضاپیماها تولید می‌شود.

بسیار مهم برای تمدن واحدهای حرارتی هستند که قادر به تبدیل انرژی حرارتی به انرژی مفید هستند. در میانآنها را می توان واحدهای بنزین، دیزل، کمپرسور، توربین نامید. برای کار خود از انواع مختلفی از انتقال حرارت استفاده می کنند.