انتقال حرارت (heat transfer) از اختلاف دمای بین دو جسم یا جسم با محیط اطراف به وجود می آید. این علم به تحلیل آهنگ انتقال حرارت در سیستم می‌پردازد. انتقال گرما از طریق شارش گرما را نمی‌توان مستقیما اندازه‌گیری کرد ولی چون با یک کمیت قابل اندازه‌گیری به نام دما در ارتباط است، دارای مفهومی فیزیکی است.
گرما چیست؟ گرما شکلی از انرژی است که بین جسم های مختلف تحت تعاملات حرارتی انتقال می یابد.
چه موقع انتقال حرارت بوجود می آید؟
وقتی بین دو نقطه یا دو ماده اختلاف دمایی وجود داشـته باشـد باعث به وجود آمدن گرادیان دما میشود. مثل اینکه در سیالات جریان در اختلاف فشار بوجود می آید. گرما به صورت طبیعی از جسم گرم به جسم سرد منتقل می شود(قانون دوم ترمودینامیک).
انواع روش های انتقال حرارت
انتقال حرارت به سه روش مختلف صورت می گیرد.
-
هدایتی (conduction)
-
جابه جایی (convection)
-
تشعشع(radiation)
انتقال گرما هدایتی:
هنگامی اتفاق می افتد که دو جسم با دمای مختلف در تماس با یکدیگر قرار داشته باشند. انتقال حرارت از جسم گرم به جسم سرد اتفاق می افتد و تا زمانی که اختلاف دمایی وجود داشته باشد ادامه می یابد.
مکانیزم انتقال گرما هدایتی (Conduction)
انتقال گرما در این روش ناشی از حرکت مولوکل ها و برخورد آنها با همدیگر می باشد. در قسمتی از ماده که گرم تر است حرکت مولول ها سریع تر و در جایی که سرد تر است حرکت مولکول ها کند تر است. هنگامی که مولکول ها حرکت می کنند مولکول های گرم تر در اثر برخورد با مولکول سردتر و با سرعت کمتر مجاور می دهند و باعث انتقال حرارت می شوند.
تا زمانی این فرآیند انجام می شود که سرعت مولکول ها به مقدار ثابتی برسد. روش انتقال حرارت هدایت در سه حالت ماده يکسان نيست. مواد جامد چون فاصله بين ملکول هايشان کمتر است گرما را سريعتر منتقل می کنند، در مايعات ميزان رسانايی از جامدات کمتر است و در گازها که فاصله ملکول ها از همه بيشتر است ميزان رسانایی از همه کمتر است.
همه جامدات نيز به يک اندازه رسانایی ندارند فلزات بيشتر و نافلزات کمتر گرما را به اين روش منتقل می کنند.
در روش انتقال حرارت هدایتی، به سبب اختلاف دمای جسم یا در سطح تماس دو جسم، بدون اختلاط جرم اتفاق می افتد. نرخ انتقال با استفاده از هدایتی با استفاده از قانون فوریه بیان می شود.
در این حالت انتقال گرما از ناحیه دما بالا به ناحیه دما پایین شارش دارد. انرژی به طریق هدایت انتقال یافته و آهنگ انتقال گرما متناسب است با:
(Q=-KA(dT/dx
که در آن Q نرخ حرارت با استفاده از روش هدایت ، K ضریب هدایت حرارتی جسم، A سطح عمود بر جهت انتقال حرارت و dT/dx گرادیان دما می باشد.
ضریب انتقال حرارت (Heat transfer coefficient)
به مقدار حرارت منتقل شده در اثر وجود گرادیان دما بین دو جسم گفته می شود. میزان گرمایی که به این روش منتقل می شود به اختلاف دمای دو طرف جسم، خواص فیزیکی و مشخصات هندسی آن بستگی دارد.
یک آزمایش عملی برای درک بهتر، اگر يک انتهای سيخی را به مدت زيادي داخل اجاقی گرم نماييم، انتهای ديگر آن نيز گرم می شود. اين روش انتقال مربوط به گرما، شارش انرژي از طريق ماده را رسانش یا هدایت می گوییم.
فلزات، بويژه نقره، مس و آلومنیوم رساناهای خوب گرما و بيشتر غیرفلزات رساناهای ضعیف گرما هستند. در صورتی که از مواد با هدف جلوگیری از انتقال حرارت استفاده شود به آنها عایق می گوییم.
مقاومت حرارتی
انتقال حرارت در دیوارهای خارجی ساختمان ها از جمله مثال های معمول و کلاسیک در کاربرد هدایت می باشد. مثلا فرض کنید در شرایط دائمی دمای جدار داخلی دیوار T1 و دمای جداره خارجی T2 باشد.
قانون فوریه را می توان بصورت زیر نوشت:
ملاحظه می شود که می توان جریان انتقال حرارت فوق را با جریان الکتریسیته شبیه سازی نمود به این ترتیب که q با مقدار جریان الکتریسیته، deltax/k با مقاومت الکتریکی و delta T را با اختلاف پتانسیل الکتریکی شبیه سازی نمود. به این ترتیب یک مدار سری مطابق شکل می توان تشکیل داد، برای مدار تشکیل شده خواهیم داشت.
انتقال گرما جابه جایی (Convection Heat Transfer)
در انتقال حرارت به روش جابه جایی ملکول های ماده ضمن انتقال گرما حرکت می کنند.
براي ايجاد جريان همرفتی سه شرط لازم است:
۱- ماده بايد مايع يا گاز باشد.
۲- بين دو نقطه از جسم اختلاف دما وجود داشته باشد يعنی قسمتی گرم و قسمتی سرد باشد.
۳- قسمت گرم پايين تر از قسمت سرد باشد.
گرما با استفاده از حرکت سیال در سطح با دو مکانیزم دیفیوژن و جریان بالک اتفاق می افتد. جابه جایی شامل هدایت حرارتی و حرکت سیال است. نرخ انتقال با استفاده از روش جابه جایی با استفاده از قانون نیوتن بیان می گردد.
Q = hA(Ts-T∞)
که در آن Ts دمای سطح، T∞ دمای محیط و h ضریب جابه جایی حرارتی است.
انواع انتقال حرارت جابه جایی
انتقال گرما به روش جابه جایی اجباری
زمانی بوجود می آید که جابجایی توسط یک عامل خارجی مثل فن یا پمپ یا باد ایجاد شود مثل رادیاتور ماشین، خنک کردن تجهیزات کامپیوتر.
انتقال گرما به روش جابه جایی اختیاری
انتقال گرما به شکل طبیعی یا آزاد در اثر تغییرات چگالی و یا نیروی شناوری بوجود می آید مثل شوفاژ.
وقتی یک سیال گرم می شود چگالی آن کم می شود و سبک می شود و بالا می رود.
اگر لباس را روی شوفاژ بگذاریم جلوی حرکت سیال را می گیـرد و انتقـال گرما را پـائین می آورد.
انتقال حرارت تشعشع یا تابش
در انتقال حرارت تابشی، گرما یا استفاده از مکانیزم تابش انرژی و یا حرکت موج از یک جسم به جسم دیگر اتفاق می افتد. در اين روش برخلاف دو روش قبل برای انتقال گرما نياز به ماده نيست مانند گرمای خورشيد که از فضای بدون ماده عبور کرده و به ما می رسد.
ميزان گرمای منتقل شده از روش تابش به دو عامل بستگی دارد : دمای جسم و رنگ آن
هرچه دمای يک جسم بيشتر باشد ميزان گرمای تابش شده از آن بيشتر است و اگر دمای آن کمتر باشد بيش از آنکه گرما را تابش کند دريافت می کند.
رنگ نيز در ميزان تابش اثر دارد اجسامی که سياه هستند نسبت به ساير رنگ ها انرژی گرمایی بيشتری تابش می کنند و در عوض رنگ نقره ای از همه رنگ ها تابش کمتری دارد به همين دليل است که بالن هایی که برای پروازهای طولانی مدت ساخته شده اند رنگ نقره ای دارند تا هوای گرم داخل بالن زود گرمای خود را منتقل نکند.
نرخ انتقال گرما تابشی با استفاده از قانون استفان بولتزمن بیان می گردد.
Q = σ.T4
که در آن T دمای مطلق سطح و σ ثابت اسفان بولتزمن است.
گرما به روش های مختلف، که هر کدام تحت شرايط مختلفی قابل انجام است، انتقال می يابد. تنها وجه مشترک اين راه ها، انتقال حرارت از جسم گرمتر به جسم سردتر صورت است.
دانلود کتاب انتقال گرما و انتقال جرم اینکروپرا زبان اصلی وحل المسائل
