انتقال حرارت چیست؟

مفهوم انتقال حرارت

انتقال حرارت چیست و مکانیزم های آن به چه صورت خواهد بود؟ انتقال گرما (یا گرما) گذار انرژی بر اثر اختلاف دماست. هرگاه در یک محیط یا میان دو محیط اختلاف دما وجود داشته باشد، انتقال گرما روی می دهد.
انواع مختلف انتقال گرما را شیوه ها یا مکانیزم های آن می گویند. وقتی در محیط ساکنی، که می تواند جامد یا سیال باشد، شیب دما (اختلاف دما) وجود دارد، برای انتقال گرمایی که در محیط روی می دهد از واژه رسانش (Conduction) برای انتقال گرمای بین سطح و سیالی متحرک، که دمای آنها با هم متفاوت است، از واژه جابجایی (Convection) استفاده می شود. نوع سوم انتقال گرما تشعشع گرمایی (Radiation) است. تمام سطوح با دمای معین انرژی را به شکل امواج الکترومغناطیس گسیل می دارند. از این رو، در نبود محیط واسط، میان دو سطح با دماهای مختلف انتقال گرمای خالص تشعشعی وجود دارد.

• رسانش (Conduction)

هنگام برخورد با واژه رسانش باید فورا مفاهیم فعالیت اتمی و مولکولی را مورد توجه قرار دهیم، زیرا فرایندها در این سطوح است که این نوع انتقال گرما را تداوم می بخشند. رسانش را به عنوان انتقال انرژی از ذرات پرانرژی به ذرات کم انرژی ماده، بر اثر برهم کنش های بین آنها، می توان دانست.

با در نظر گرفتن یک گاز و با استفاده از مفاهیم ترمودینامیکی، مکانیزم فیزیکی رسانش به ساده ترین وجه توضیح داده می شود. گازی را در نظر بگیرید که در آن شیب دما وجود دارد و فرض کنید که هیچ حرکت کیهانی وجود ندارد. گاز می تواند فضای بین دو سطحی را، که در دماهای متفاوت قرار دارند، اشغال کند. دما در هر نقطه به انرژی مولکول های گاز موجود در مجاورت آن نقطه نسبت داده می شود.

این انرژی به حرکت های انتقالی تصادفی و همچنین به حرکت های چرخشی و نوسانی مولکول ها ارتباط دارد. دماهای بالاتر به انرژی های مولکولی بالاتر نسبت داده می شوند، و با برخورد مولکول ها به یکدیگر (پدیده ای که دائما روی می دهد)، انرژی از مولکول های پرانرژی به مولکولهای کم انرژی منتقل می شود. بنابراین وقتی شیب دما وجود دارد، انتقال انرژی رسانشی در جهت کاهش دما روی می دهد. انتقال خالص انرژی توسط حرکت تصادفی مولکولی را پخش انرژی می گویند.
نمونه های بسیاری برای انتقال گرمای رسانشی وجود دارند.

انتهای آزاد قاشق فلزی که به طور ناگهانی در فنجان قهوه داغی غوطه ور می شود بر اثر رسانش انرژی در قاشق گرم می شود. در یک روز زمستان، انرژی زیادی از اتاق گرمی به هوای خارج دفع می شود. این دفع اساسا بر اثر انتقال گرمای رسانشی از دیواری است که هوای اتاق را از هوای خارج جدا می کند.

برای محاسبه میزان رسانش گرمایی از قانون فوریه به صورت زیر استفاده می شود:

که در آن k را رسانندگی گرمایی (Thermal Conductivity) می گویند و یک مشخصه از مواد است. علامت منفی نشان می دهد که گرما در جهت کاش دما منتقل می شود.

• جابجایی (Convection)

شیوه انتقال گرمای جابجایی از دو مکانیزم تشکیل می شود. علاوه بر انتقال انرژی ناشی از حرکت تصادفی مولکولی (پخش)، انرژی بر اثر حرکت کپه ای (ماکروسکوپیک) سیال نیز منتقل می شود. حرکت کپه ای سیال ناشی از این واقعیت است که، در هر لحظه، تعداد زیادی از مولکول ها به طور انبوهی حرکت می کنند. چنین حرکتی، در حضور شیب دما، در انتقال گرما سهم دارد.

از آنجا که انبوه مولکول ها حرکت تصادفی شان را حفظ می کنند، کل انتقال گرما ترکیبی است از انتقال انرژی ناشی از حرکت تصادفی مولکولها و انتقال انرژی ناشی از حرکت کپه ای سیال معمولا از واژه کنوکسیون برای این انتقال ترکیبی و از واژه ادوکسیون (Advection) برای انتقال ناشی از حرکت کپه ای سیال استفاده می شود. انتقال گرمای جابجایی معمولا میان سیالی متحرک و سطحی محدود کننده، که در دماهای مختلف اند، روی می دهد.

انتقال حرارت جابجایی نیز دارای دو نوع مختلف شیوه ها است. وقتی جریان توسط وسایل خارجی، از قبیل فن (پنکه)، پمپ، یا بادهای اتمسفریک به وجود آمده است، جابجایی واداشته یا اجباری (Force Convection) داریم مانند پنکه ای که اجزای گرم الکتریکی بردهای مدار چاپی را با جابجایی واداشته خنک می کند. در مقابل، در جابجایی آزاد یا طبیعی (Free Convection) جریان بر اثر نیروهای شناوری به وجود می آید؛ این نیروها از اختلاف چگالی ناشی از تغییرات دما در سیال به وجود می آیند انتقال گرما از اجزای گرم بردهای مدار چاپی در هوای ساکن نمونه ای از انتقال گرمای جابجایی آزاد است.

دمای هوایی که با اجزای گرم تماس دارد افزایش می یابد و از این رو چگالی آن کم می شود. چون این هوا از هوای محیط سبک تر است، نیروهای شناوری حرکتی عمودی را ایجاد می کنند که به موجب آن هوای گرم از بردهای مدار بالا می رود و جریان هوای سردتر محیط جایگزین آن می شود. البته حالت ترکیبی این دو هم ممکن است زمانی رخ دهد که هم تاثیرات نیروهای شناوری قابل توجه باشد و هم حضور یک عامل خارجی باعث به وجود آمدن جریان اجباری شود.

در بعضی فرایندهای جابجایی، علاوه بر آثار فوق، تبادل گرمای نهان نیز وجود دارد. این تبادل گرمای نهان معمولا به تغییر فاز بین حالت های مایع و بخار سیال مربوط می شود. انتقال حرارت به شیوه چگالش و جوشش از نمونه های این نوع از انتقال حرارت است.

مستقل از نوع و شیوه جابجایی مقدار آن از قانون سرمایش نیوتن به صورت زیر به دست می آید:

که در آن h ضریب انتقال حرارت جابجایی است. این ضریب به شرایط موجود در لایه مرزی از قبیل هندسه سطح، نوع حرکت سیال و خواص ترمودینامیکی بستگی دارد. هر گونه مطالعه درباره جابجایی، سرانجام به بررسی روش های تعیین h می انجامد.

• تشعشع گرمایی یا تابش (Radiation)

تشعشع گرمایی انرژی گسیل شده توسط ماده ای است که در دمای معینی قرار دارد. گرچه تشعشع از سطوح جامد بیشتر مورد توجه است با این حال گسیل انرژی می تواند از مایعات و گازها نیز روی دهد. ماده به هر شکلی که باشد، گسیل انرژی را می توان به تغییرات وضعیت الکترون های اتمها یا مولکول های تشکیل دهنده آن ارتباط داد.

انرژی میدان تشعشعی توسط امواج الکترومغناطیسی (یا به عبارت دیگر، فوتونها) منتقل می شود. در حالی که انتقال انرژی با رسانش یا جابجایی مستلزم وجود محیط مادی است، در مورد تشعشع این طور نیست. در حقیقت، انتقال تشعشع در خلأ به مؤثرترین وجه انجام می شود.
تشعشعی که از سطح رخ می دهد یک حد بالایی دارد و توسط قانون استفان- بولتزمن قابل محاسبه است و به آن توان گسیل (Radiative power)می گویند:

که T در آن دمای مطلق سطح بر حسب کلوین است. سطحی که بتواند حد بالای توان گسیل را داشته باشد را سطح سیاه می نامند .سطوح حقیقی می تواند درصدی از این حد بالا را گسیل کنند و شار گرمای گسیل شده توسط این سطوح از رابطه زیر بدست می آید که تابع ضریب گسیل مندی (emissivity) است.

که در معادله بالا q همان P/A است که در برخی از مراجع E نیز عنوان می شود. گسیل مندی مقداری بین 0 و یک دارد و قابلیت گسیل انرژی جسم رانشان می دهد. گسیل مندی به جنس و پرداخت سطح خیلی بستگی دارد

همانطور که سطح به محیط گسیل انرژی دارد تشعشع میتواند از اطراف به سطح فرود آید. منشا آن می تواند خورشید یا سایر اجسام باشد. قسمتی از شار تشعشعی فرودی بازتاب می شود. اگر سطح نیم شفاف باشد، قسمتی از تشعشعی فرودی عبور می کند. ولی، در حالی که تشعشع جذب شده گسیل شده، به ترتیب، انرژی گرمایی ماده را افزایش و کاهش می دهند تشعشع باز تابشی و عبوری هیچ تأثیری بر این انرژی ندارد. توجه کنید که مقدار که به ماهیت شار تشعشعی فرودی، و همچنین به خود سطح بستگی دارد. مثلا، جذبمندی سطح برای تشعشع خورشیدی با جذبمندی آن برای تشعشع گسیل شده از دیواره های یک کوره می تواند متفاوت باشد.

حالت خاصی که اغلب روی می دهد تبادل تشعشع بین سطح کوچکی با دمای T و سطح خیلی بزرگ تر تک دمایی Tsurr است که سطح کوچک تر را کاملا فراگرفته است. مقدار انتقال حرارت خالص بین دو این سطح با رابطه زیر قابل محاسبه است:

رابطه بالا اختلاف بین انرژی گرمایی تشعشعی گسیل شده و انرژی گرمایی تشعشعی جذب شده را نشان می دهد.

نرم افزار SIMSCALE برای شبیه سازی مسائل پیجیده و گوناگون در حوزه انتقال حرارت

نرم افزاری شبیه سازی حرارتی SimScale شما را قادر می سازد تا هم تحلیل حرارتی و هم انتقال حرارت را انجام دهید. نرم افزار در واقع آنالیز حرارتیِ توازن انرژی سیستم را در نظر می گیرد. هنگام بررسی اجزای ترمومکانیکی، می توان اثرات بارهای حرارتی روی جامدات را نیز در بر گرفت. برای بسیاری از کاربردهای صنعتی، شبیه سازی پاسخ تنش به بارهای گرمایی و درک شکست ضروری است.

ازجمله کاربرد های وسیع این نرم افزار میتوان به موارد زیر اشاره کرد:

• تحلیل انتقال حرارت در مواد پلیمری
• انتقال حرارت در شیرآلات
• انتقال حرارت درلوله ها
• انتقال حرارت در صافی ها (Strainer)
• انتقال حرارت در برد ها و مدارهای PCB
• مخازن تحت فشار و موارد دیگر هستند.