انتقال گرما
انتقال گرما از جسمی به جسمی دیگر هنگامی انجام می شود که بین آن ها اختلاف دما وجود داشته باشد. اگر جسم با محیط اطراف خود هم دما باشد بین جسم و محیط، انتقال گرما وجود نخواهد داشت. انتقال حرارت همواره از جسم با دمای بیشتر به جسم با دمای کمتر بوده و هرگز در جهت عکس صورت نمی گیرد. از این جهت می توان گرما را به آبی تشبیه نمود که ازیک مخزن در ارتفاع بالاتر به طرف مخزن در ارتفاع پایین تر جریان می یابد.
روش های انتقال گرما
سه روش انتقال گرما عبارتند از هدایت یا رسانش (Conduction)، جابه جایی یا وزش یا همرفت (Convection) و تابش (Radiation). هدایت مانند جریان گرما از سر گرم میله آهنی به سر دیگر آن، وزش مانند جریان گرمای باد گرم در صحرا و تابش مانند جریان گرما از خورشید به ما است.
انتقال گرما به روش هدایت (رسانش)
انتقال گرما در اجسام جامد به روش هدایت انجام می شود. در کوره های هوای گرم و در دیگ ها، گرمای شعله از طریق بدنه ی فولادی یا چدنی اتاقگ 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 آن ها را نیز به حرکت وا می دارند. بدین ترتیب انرژی گرمایی در اجسام جامد انتقال می یابد.
به دلیل اختلاف در ساختمان مولکولی، هدایت در جامدات بیشتر از مایعات و در مایعات بیشتر از گازهاست. چون 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.
۱- اختلاف دمای سطح گرم و سطح سرد(Δt): اختلاف دما علت انتقال گرماست بنابراین هرچه Δt بیشر شود انتقال حرارت بیشتر خواهد شد.
۲- سطح مقطع جسم (A): بدیهی است هرچه سطح بزرگ تر باشد مولکول هایی که گرما را منتقل می نمایند بیش تر خواهند بود.
۳- 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.
۴- زمان عبور گرما (T)
۵- قابلیت هدایت گرمایی یا قابلیت گرما رسانی (K): تمام مواد نمی توانند گرما را با شدت یکسان هدایت نمایند. فلزات هادی یا گرمارسان 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.
انتقال گرما به روش جابه جایی ( همرفت یا وزش)
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 کره زمین، گرمایی که از روی شعله بالا می رود، مکش دودکش بخاری نمونه هایی از وزش طبیعی هستند. استفاده از یک پمپ برای گردش آب گرم یا سرد یا استفاده از یک بادبزن برای به جریان انداختن هوای گرم یا سرد نمونه هایی از وزش 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.
انتقال گرما 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 کی کنند در حالی که مواد با سطح تیره و زبر بیشتر اننرژی 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 خارجی 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 و در زمستان مطلوب است.
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.
برای اطلاع بیشتر می توانید مقاله شبیه سازی عددی انتقال حرارت و رفتار جریان نانوسیال در یک مبدل حرارتی مینی کانال مارپیچ را مطالعه نمایید.
منبع