کاربر:Mojtaba.bazdar

ویکی‎کتاب، کتابخانهٔ آزاد

انتقال گرماچیست؟

به بیان بسیار ساده می توان این گونه بیان کرد که انتقال گرما، گذر انرژی بر اثر اختلاف دماست. در واقع هر گاه میان دو جسم یا دو محیط اختلاف دما وجود داشته باشد انتقال گرما ( به انحاء مختلف) روی خواهد داد.انواع مختلف انتقال گرما را شیوه های آن می گویند.

به طور خلاصه می توان شیوه های انتقال گرما را در سه دسته ی کلی جای داد :

1)رسانش

2)جابجایی

3)تشعشع


برای وقوع هر یک از سه پدیده ی فوق شرایطی لازم است که هر کدام را بصورت جداگانه توضیح می دهیم:


رسانش: وقتی در محیط ساکنی، که میتواند جامد یا سیال باشد، شیب دما وجود دارد برای انتقال گرمایی که در محیط روی می دهد از واژه ی رسانش استفاده می کنیم. هنگام بحث در مورد رسانش باید مفاهیمی چون فعالیت اتمی و مولکولی را مورد توجه قرار دهیم زیرا فرآیند ها در این سطوح است که انتقال گرما راتداوم می بخشند. رسانش را به عنوان انتقال انرژی از ذرات پر انرژی به ذرات کم انرژی ماده، بر اثر بر هم کنش های بین آن ها می توان دانست.

نمونه هایی از انتقال گرمای رسانشی:

انتهای آزاد یک قاشق فلزی که به طور ناگهانی در فنجان قهوه ی داغی غوطه ور می شود.

انرژی زیادی که در یک روز سرد زمستانی از اتاق گرمی به هوا ی خارج منتقل می شود.


جابجایی: برای انتقال گرمای بین سطح و سیالی متحرک، که دمای آن ها با هم متفاوت است، ار واژه ی جابجایی استفاده می شود. انتقال گرمای جابجایی از دو مکانیزم تشکیل می شود. یکی انتقال انرژی ناشی از حرکت تصادفی مولکول ها ( پخش ) و دیگری انتقال انرژی بر اثر حرکت کپه ای ( ماکروسکوپیک ) سیال. وقتی که جریان توسط وسایل خارجی از قبیل فن و یا پمپ به وجود بیاید جابجایی واداشته داریم.در مقابل در جابجایی آزاد، جریان بر اثر نیروهای شناوری بوجود می آید.

نمونه ای از انتقال گرمای جابجایی:

فن های کامپیوتر که برد های داخل کیس کامپیوتر را خنک می کنند.


تشعشع:تمام سطوح با دمای معین انرزی را به شکل امواج الکترو مغناطیس گسیل می دارند. از این رو، در نبود محیط واسط، میان دو سطح با دماهای مختلف انتقال گرمای خالص تشعشعی را داریم. به عبارتی دیگر تشعشع گرمایی، انرژی گسیل شده توسط ماده ایست که در دمای معینی قرار دارد. تشعشع می تواند از سطح جامدات، مایعات و حتی گاز ها نیز صورت بگیرد. به طور کلی ماده به هر شکلی که باشد، گسیل انرژی را می توان به به تغییرات وضعیت الکترون های اتم ها یا مولکول های تشکیل دهنده ی آن ارتباط داد. انتقال حرارت به شیوه ی تشعشع بر خلاف دو شیوه ی دیگر نیازمند فضای مادی نیست.

نمونه ای از انتقال گرمای تشعشی:

انتقال حرارت از سطح یک فلز داغ سرخ شده.



حال که با تعریف پدیده های ذکر شده آشنا شدیم، جهت فهم عمیق تر مباحث، روابط ریاضی حاکم بر آن ها را از نظر می گذرانیم.


از قانون فوریه می دانیم که انتقال حرارت رسانشی بصورت زیر تعریف می شود:

البته بیشتر اوقات این انتقال حرارت را در راستای x فرض می کنیم و رابطه ی فوق به این شکل در می آید:

که در این روابط k به معنی رسانندگی گرمایی است و با واحد ( وات/متر کلوین) مشخص می شود.ترم دوم این عبارت نیز گرادیان دماست که در رابطه ی دوم منظور گرادیان دما در راستای x است.

همچنین از فرم انتگرالی داریم:

این عبارت بیانگر مقدار حرارت انتقال یافته بر واحد زمان است( بر حسب وات ).

این عبارت بیانگر المانی از سطح می باشد(بر حسب متر مربع).


این عبارت گرادیان دما را بیان می کند( بر حسب کلوین/متر ).

این عبارت نیز بیانگر رسانندگی گرمایی است( بر حسب وات/متر کلوین).


اما در مختصات استوانه ای وضعیت به گونه ای دیگر است . در مختصات استوانه ای داریم:


به عبارتی دیگر

بنابر این انتقال حرارت برابر است با

که در رابطه ی فوق

بیانگر اختلاف دما بین دیواره ی بیرونی و داخلی است.

بیانگر شعاع داخلی است.

بیانگر شعاع خارجی است.

L نیز بیانگر طول است.



اکنون رابطه ی حاکم بر نوع دوم انتقال حرارت یعنی هدایت را بررسی می کنیم.


در این نوع از انتقال حرارت رابطه ی زیر برقرار است:

این عبارت ضریب انتقال حرارت جابجایی نام دارد( بر حسب وات/متر مربع کلوین).

این عبارت بیانگر مساحت مقطعی است که انتقال حرارت از آن انجام می گیرد( برحسب متر مربع ).

این عبارت بیانگر دمای سطح جسم است( بر حسب کلوین).

این عبارت بیانگر دمای محیط است( بر حسب کلوین ).

این عبارت بیانگر اختلاف دمای بین سطح جسم و محیط بر حسب زمان است.


حال روابط حاکم بر نوع سوم انتقال حرارت(تشعشع) را بررسی می کنیم .


برای جسم سیاه رابطه ذیل برقرار است :



برای اجسام دیگر، رابطه ذیل با احتساب ضریبی برقرار است :


و توان کلی انتقال یافته برابر است با :


در عبارت فوق اپسیلون بیانگر ضریب انتقال حرارت تشعشعی است.

همچنین عبارت زیگما همان ثابت استفان - بولتزمن است.