روش های انتقال حرارت

• هدایت یا رسانش
• جابجایی حرارت رسانش
•  انتقال حرارت جابجایی
• تشعشع

هدایت یا رسانش

هدایت زمانی اتفاق می افتد که دو شی در دماهای مختلف در تماس با یکدیگر هستند. گرما از گرما به جسم داغتر جریان می یابد تا زمانی که هر دو در همان دما قرار بگیرند. هدایت حرکت گرما از طریق یک ماده توسط برخورد مولکول ها است. در جایی که دو لمس را لمس می کنید، مولکول های سریع تر حرکت شی گرما با مولکول های حرکت کندتر از شی سردتر برخورد می کنند.

وقتی که آنها برخورد می کنند، مولکول های سریع تر برخی از انرژی خود را به مولکول های آهسته تر می اندازند. مولکول های کندتر انرژی بیشتری به دست می آورند و با مولکول های دیگر در جسم خنک کننده برخورد می کنند. این فرآیند تا زمانی ادامه می یابد که انرژی گرما از شی گرمایش در سراسر جسم خنک پخش شود. بعضی از مواد گرما راحت تر از دیگران است. جامدات هادی بهتر از مایعات هستند و مایعات هادی بهتر از گازها هستند.

فلزات هدایت گرما بسیار خوبی هستند، در حالی که هوا هدایت گرما بسیار خوبی است. هر زمان که چیزی را که داغتر یا سردتر از پوست شما است لمس کنید، انتقال حرارت را با هدایت تجربه می کنید. هنگامی که دستان خود را در آب گرم یا سرد بشویید.

جابجایی حرارت رسانش

یک تصویر حرارتی مادون قرمز از یک فنجان قهوه پر از یک مایع گرم. توجه داشته باشید که حلقه های رنگ گرما را از مایع داغ از طریق جام فلزی منتقل می کنند. شما می توانید این را در قاشق فلز نیز ببینید. این نمونه خوبی از هدایت است.

همرفت

در مایعات و گازها، انتقال حرارت معمولا کارآمدترین روش انتقال گرما است. جابجایی رخ می دهد زمانی که مناطق گرم و یا مایع یا گاز به مناطق خنک کننده در مایع و یا گاز افزایش می یابد. همانطور که این اتفاق می افتد، مایع خنک کننده یا گاز جایگزین مناطق گرمتر شده است که بالاتر از آن است.

این چرخه به یک الگوی گردش تدریجی منجر می شود و گرما به مناطق خنک منتقل می شود. هنگامی که آب را در یک ظرف قرار می دهید، جوش را مشاهده می کنید. حباب های آب که افزایش می یابند، بخش های گرمتر آب به سمت آب سرد در بالای تانک می رسد. شما احتمالا شنیده اید که “هوای داغ افزایش می یابد و هوا سرد می شود تا جای خود را بگیرد” – این توصیفی از کنجکاوی در فضای ما است. انرژی گرما توسط گردش هوا منتقل می شود.

انتقال حرارت جابجایی

این تصویر حرارتی مادون قرمز جوش نفتی گرم را در یک تابه نشان می دهد. روغن گرما را از طریق پودر انتقال می دهد. توجه داشته باشید مراکز گرم (زرد) افزایش روغن داغ و خطوط خنک کننده روغن فرو می رود.

تشعشع

هر دو هدایت و جابجایی نیاز به انتقال حرارت دارند. تابش یک روش انتقال حرارت است که به هیچ گونه ارتباطی بین منبع گرما و شستشوی گرم متکی نیست. به عنوان مثال، ما از گرما از خورشید احساس می کنیم، حتی اگر ما آن را لمس نکنیم. گرما را می توان با پرتو حرارتی هر چند فضای خالی انتقال داد. تابش حرارتی (اغلب به نام تابش مادون قرمز) یک نوع تابش الکترومغناطیسی (یا نور) است. تابش یک شکل از انتقال انرژی است که شامل امواج الکترو مغناطیسی است که در سرعت نور حرکت می کنند. هیچ جرمی مبادله نمی شود و هیچ رسانشی مورد نیاز نیست.

اشیاء هنگامی که الکترون های انرژی بالا در یک سطح اتمی بالاتر به سطح انرژی پایین تر می رسند، تابش می کنند. انرژی از دست رفته به عنوان نور یا تابش الکترومغناطیسی منتشر می شود. انرژی که توسط یک اتم جذب می شود، الکترون های آن را به “پرش” تا سطوح انرژی بالاتر می رساند.

تمام اشیاء تابش را جذب و انتشار می دهند. هنگامی که جذب انرژی تعادل انتشار انرژی (در اینجا یک اپلت های جاوا نشان می دهد که چگونه یک اتم جذب و تابش ساطع می کند است)، درجه حرارت از یک شی ثابت باقی می ماند. اگر جذب انرژی بیشتر از انتشار انرژی باشد، دمای یک شی افزایش می یابد. اگر جذب انرژی کمتر از انتشار انرژی باشد، دمای یک شی کاهش می یابد.

انتقال حرارت تابشی

یک تصویر حرارتی مادون قرمز از مرکز کهکشان ما. این گرما از ستاره های متعدد و ستاره های میان ستاره حدود 24000 سال نوری (حدود 150،000،000،000،000،000 مایل) را از طریق فضا به وسیله تابش برای رسیدن به تلسکوپ های مادون قرمز ما گذراند.

روش انتقال گرما در مایعات و گازها

روش اصلی انتقال گرما در مایعات و گازها همرفت (Convection) است. در این روش، گرما از طریق حرکت خود سیال (مایع یا گاز) منتقل می‌شود.

چگونگی عملکرد همرفت:

• گرم شدن سیال: وقتی قسمتی از مایع یا گاز گرم می‌شود، مولکول‌های آن انرژی جنبشی بیشتری پیدا می‌کنند و با سرعت بیشتری حرکت می‌کنند. این افزایش سرعت باعث می‌شود که فاصله بین مولکول‌ها بیشتر شود و در نتیجه، چگالی آن قسمت از سیال کاهش یابد.
• حرکت سیال گرم: به دلیل چگالی کمتر، قسمت گرم شده سیال به سمت بالا حرکت می‌کند (در صورتی که نیروی خارجی وجود نداشته باشد و گرما از پایین اعمال شود).
• جایگزینی با سیال سرد: همزمان، سیال سردتر و سنگین‌تر از بالا به سمت پایین حرکت می‌کند تا جای سیال گرم شده را بگیرد.
• تشکیل جریان: این حرکت مداوم سیال گرم به بالا و سیال سرد به پایین، یک جریان چرخشی به نام جریان همرفتی ایجاد می‌کند که گرما را در سراسر سیال منتقل می‌کند.

انواع همرفت:

• همرفت طبیعی (Natural Convection): این نوع همرفت به دلیل اختلاف چگالی ناشی از اختلاف دما در سیال رخ می‌دهد. مثال‌هایی از آن شامل بالا رفتن هوای گرم از بخاری، گردش آب در یک کتری در حال جوش و جریان‌های هوایی در اتمسفر است.
• همرفت اجباری (Forced Convection): در این نوع همرفت، حرکت سیال توسط یک وسیله خارجی مانند پمپ یا فن ایجاد می‌شود. این روش برای انتقال سریع‌تر و کارآمدتر گرما استفاده می‌شود. مثال‌هایی از آن شامل سیستم‌های خنک‌کننده موتور خودرو که از پمپ برای گردش آب استفاده می‌کنند و سیستم‌های تهویه مطبوع که از فن برای به جریان انداختن هوا استفاده می‌کنند.

روش‌های دیگر انتقال گرما در مایعات و گازها:

• هدایت (Conduction): اگرچه همرفت روش اصلی است، هدایت نیز در مایعات و گازها وجود دارد، اما به دلیل فاصله زیاد بین مولکول‌ها در این مواد، میزان انتقال گرما از طریق هدایت معمولاً بسیار کمتر از جامدات است. هدایت زمانی اتفاق می‌افتد که انرژی جنبشی مولکول‌های پرانرژی از طریق برخورد مستقیم به مولکول‌های کم‌انرژی منتقل شود.
• تابش (Radiation): تابش انتقال گرما از طریق امواج الکترومغناطیسی است و نیازی به محیط مادی ندارد. مایعات و گازها نیز می‌توانند گرما را از طریق تابش جذب و منتشر کنند، اما این روش معمولاً در دماهای بسیار بالا یا در غیاب روش‌های دیگر انتقال گرما اهمیت بیشتری پیدا می‌کند

خلاصه

در مایعات و گازها، همرفت مهم‌ترین و کارآمدترین روش انتقال گرما است. این فرآیند با حرکت خود سیال و جابجایی مولکول‌های گرم و سرد، گرما را در سراسر محیط پخش می‌کند. هدایت و تابش نیز در این مواد وجود دارند، اما معمولاً نقش کمتری در انتقال گرما ایفا می‌کنند.

آیا گرما از جسم سرد به جسم گرم منتقل میشود ؟

خیر ، این تصور که گرما از جسم سرد به جسم گرم منتقل می‌شود اشتباه است. بر اساس قانون دوم ترمودینامیک، گرما به طور خود به خودی همواره از جسم با دمای بالاتر به جسم با دمای پایین‌تر منتقل می‌شود.

دلیل این امر در سطح میکروسکوپی به حرکت و انرژی مولکول‌ها برمی‌گردد:

• انرژی جنبشی مولکول‌ها: دما مستقیماً با میانگین انرژی جنبشی (حرکت) مولکول‌های یک جسم مرتبط است. مولکول‌های جسم گرم‌تر، انرژی جنبشی بیشتری دارند و با سرعت بیشتری حرکت می‌کنند.
• انتقال انرژی از طریق برخورد: وقتی دو جسم با دماهای متفاوت در تماس قرار می‌گیرند، مولکول‌های پرانرژی جسم گرم‌تر با مولکول‌های کم‌انرژی جسم سردتر برخورد می‌کنند. در این برخوردها، مقداری از انرژی جنبشی مولکول‌های گرم‌تر به مولکول‌های سردتر منتقل می‌شود.
• افزایش انرژی جسم سرد و کاهش انرژی جسم گرم: در نتیجه این تبادل انرژی، میانگین انرژی جنبشی مولکول‌های جسم سردتر افزایش می‌یابد (در نتیجه دمای آن بالا می‌رود) و میانگین انرژی جنبشی مولکول‌های جسم گرم‌تر کاهش می‌یابد (در نتیجه دمای آن پایین می‌آید).
• تمایل به تعادل: این فرآیند انتقال انرژی تا زمانی ادامه می‌یابد که میانگین انرژی جنبشی مولکول‌های هر دو جسم یکسان شود و به اصطلاح به تعادل گرمایی برسند. در این حالت، دیگر انتقال خالص انرژی گرمایی بین دو جسم وجود نخواهد داشت.

چرا ما گاهی اوقات احساس می‌کنیم که سرما از یک جسم سرد به ما منتقل می‌شود؟

این احساس ناشی از این واقعیت است که وقتی با یک جسم سرد تماس پیدا می‌کنیم، گرمای بدن ما به آن جسم منتقل می‌شود. در نتیجه، پوست ما در آن ناحیه سردتر می‌شود و ما این کاهش دما را به عنوان "انتقال سرما" از جسم سرد به بدنمان حس می‌کنیم. در واقع، این گرمای بدن ماست که به جسم سرد منتقل شده است.

خلاصه:

گرما به طور طبیعی و خود به خودی فقط از جسم گرم‌تر به جسم سردتر منتقل می‌شود. این یک اصل اساسی در ترمودینامیک است و بر اساس رفتار مولکولی مواد توضیح داده می‌شود. احساس "انتقال سرما" در واقع ناشی از از دست دادن گرمای بدن ما به یک جسم سردتر است.

انتقال گرما بین دو جسم تا چه زمانی ادامه دارد ؟

انتقال گرما بین دو جسم تا زمانی ادامه دارد که دمای هر دو جسم یکسان شود و به اصطلاح به تعادل گرمایی برسند.
در این حالت، دیگر هیچ انتقال خالص انرژی گرمایی از یک جسم به جسم دیگر وجود نخواهد داشت، زیرا میانگین انرژی جنبشی مولکول‌های هر دو جسم برابر شده است.
به عبارت دیگر، انتقال گرما متوقف می‌شود وقتی که سیستم به یک حالت پایدار می‌رسد که در آن دیگر هیچ تغییر خالصی در دما رخ نمی‌دهد. این وضعیت، بیانگر رسیدن به تعادل ترمودینامیکی بین دو جسم (از نظر دما) و محیط اطرافشان (در صورت وجود) است.

انتقال گرما به وسیله حرکت و جابجایی مولکول ها

انتقال گرما به وسیله حرکت و جابجایی مولکول‌ها، که به آن همرفت (Convection) گفته می‌شود، روش اصلی انتقال گرما در مایعات و گازها است. در این فرآیند، گرما از طریق حرکت توده‌ای مولکول‌های سیال از یک منطقه به منطقه دیگر منتقل می‌شود.

مکانیسم انتقال گرما به وسیله همرفت:

گرم شدن سیال و افزایش انرژی مولکول‌ها: وقتی قسمتی از مایع یا گاز گرم می‌شود، مولکول‌های آن انرژی جنبشی بیشتری کسب می‌کنند و با سرعت بیشتری به حرکت درمی‌آیند. این افزایش حرکت باعث می‌شود که فاصله متوسط بین مولکول‌ها بیشتر شود و در نتیجه، چگالی آن قسمت از سیال کاهش یابد.

ایجاد جریان به دلیل اختلاف چگالی: به دلیل چگالی کمتر، قسمت گرم شده سیال نیروی شناوری بیشتری احساس می‌کند و به سمت بالا حرکت می‌کند (در میدان گرانشی). در همین زمان، سیال سردتر و چگال‌تر از مناطق دیگر به سمت پایین حرکت می‌کند تا جای سیال گرم شده را بگیرد.

انتقال گرما با حرکت توده سیال: این حرکت منظم و چرخشی سیال گرم به بالا و سیال سرد به پایین، یک جریان همرفتی ایجاد می‌کند. این جریان، مولکول‌های پرانرژی (گرم) را از منطقه گرم به منطقه سرد منتقل می‌کند و مولکول‌های کم‌انرژی (سرد) را به منطقه گرم می‌برد تا گرم شوند. به این ترتیب، گرما در سراسر سیال جابجا می‌شود.

انواع همرفت:

همرفت طبیعی (Natural Convection): این نوع همرفت ناشی از اختلاف چگالی است که خود به دلیل اختلاف دما در سیال ایجاد می‌شود. مثال‌هایی از آن شامل موارد زیر است:

بالا رفتن هوای گرم از یک رادیاتور یا بخاری.

گردش آب در یک کتری در حال گرم شدن.

جریان‌های هوایی در اتمسفر و اقیانوس‌ها.

همرفت اجباری (Forced Convection): در این نوع همرفت، حرکت سیال توسط یک وسیله خارجی مانند پمپ یا فن ایجاد می‌شود. این روش برای انتقال سریع‌تر و کارآمدتر گرما استفاده می‌شود. مثال‌هایی از آن عبارتند از:

سیستم خنک‌کننده موتور خودرو که از پمپ برای گردش آب استفاده می‌کند.

سیستم‌های تهویه مطبوع که از فن برای به جریان انداختن هوای گرم یا سرد استفاده می‌کنند.

خشک‌کن‌های مو یا اجاق‌های همرفتی که از فن برای گردش هوای گرم استفاده می‌کنند.

تفاوت با هدایت:

در روش هدایت (Conduction)، انتقال گرما از طریق ارتعاش و برخورد مولکول‌های مجاور در یک ماده (به طور عمده در جامدات) صورت می‌گیرد و خود مولکول‌ها جابجا نمی‌شوند. در حالی که در همرفت، حرکت و جابجایی توده‌ای مولکول‌ها نقش اساسی در انتقال گرما دارد.

خلاصه:

انتقال گرما به وسیله حرکت و جابجایی مولکول‌ها (همرفت) یک مکانیسم کارآمد برای انتقال گرما در مایعات و گازها است. این فرآیند به دلیل تغییر چگالی ناشی از اختلاف دما و در نتیجه حرکت توده‌ای سیال رخ می‌دهد و می‌تواند به صورت طبیعی یا اجباری صورت پذیرد.