هل لديك فضول حول كيفية تحرك الحرارة؟ هل تساءلت يومًا كيف يظل محرك سيارتك باردًا أو لماذا تكون قهوتك ساخنة دائمًا في كوب السفر؟ يمكن أن يساعد فهم أساسيات نقل الحرارة في الإجابة عن هذه الأسئلة والمزيد. في منشور المدونة هذا، سنستكشف الطرق المختلفة لنقل الحرارة، حتى تتمكن من فهم العالم من حولك بشكل أفضل!
مقدمة في نقل الحرارة
تنتقل الحرارة بثلاث طرق مختلفة: التوصيل، والحمل الحراري، والإشعاع.
يتم تعريف نقل الحرارة على أنه العملية التي يتم فيها نقل الجزيئات من منطقة درجة حرارة أعلى إلى درجة حرارة منخفضة.
يعرّف هذا الفصل ويستكشف انتقال الحرارة وتأثيراته وطرق نقل الحرارة. هذه الموضوعات أساسية، لأنها تؤثر على كل شيء بدءًا من درجة حرارة كوب من القهوة عند سكبه في الكوب، إلى كيفية تسخين الموقد لطعامك. في هذه المقالة، سوف نركز بشكل خاص على ثلاث طرق رئيسية لنقل الحرارة: التوصيل، والحمل الحراري، والإشعاع.
يعتبر التوصيل مسؤولاً عن معظم الحرارة المنقولة في حريق نموذجي. تنتقل الحرارة من الأجزاء الأكثر سخونة من النار إلى الأجزاء الأكثر برودة، عن طريق التلامس بين الأشياء. هذا النوع من نقل الحرارة بطيء مقارنة بالطرق الأخرى وعادة ما يقتصر على أماكن قريبة (مثل داخل الموقد).
الحمل الحراري هو المسؤول عن النقل السريع للحرارة الذي يحدث في الموقد أو الفرن. تنتقل الحرارة عن طريق حركة السوائل (مثل الماء المغلي في غلاية على الموقد). هذا النوع من نقل الحرارة أسرع من التوصيل ويمكن أن يحدث عبر منطقة أوسع (مثل رف الفرن).
الإشعاع مسؤول عن انتقال الحرارة عن طريق الموجات (مثل الضوء). غالبًا ما يكون هذا النوع من نقل الحرارة بطيئًا ويقتصر على مسافات قصيرة (مثل وضع يدك بالقرب من موقد ساخن).
كل من هذه الأساليب لها مزاياها وعيوبها. على سبيل المثال، يعتبر الإشعاع مفيدًا لنقل الحرارة بسرعة من مكان إلى آخر، ولكنه ليس جيدًا في نقل الحرارة عبر مسافات كبيرة. يعتبر الحمل الحراري أمرًا رائعًا لنقل الحرارة بسرعة عبر منطقة واسعة، ولكنه لا يمكنه التعامل مع درجات الحرارة المرتفعة جيدًا. التوصيل جيد في نقل الحرارة بسرعة عبر مسافات قصيرة وتسخين الأشياء ببطء بمرور الوقت، ولكن يمكن أن يكون بطيئًا عند مقارنته بالطرق الأخرى.
التوصيل
هناك ثلاث طرق رئيسية لنقل الحرارة: التوصيل، والحمل الحراري، والإشعاع.
حول حرارة الأشعة تحت الحمراء.
انتقال الحرارة الموصلة هو انتقال مباشر للحرارة بين نظامين. يحدث هذا عندما يلمس جزيء واحد من نظام جزيء آخر من النظام الثاني. هذا هو أبسط أنواع نقل الحرارة ويمكن رؤيته عندما تلمس سطحًا معدنيًا بجسم معدني.
يحدث انتقال الحرارة بالحمل عندما يتحرك الهواء الساخن أو الماء. يستخدم هذا النوع من نقل الحرارة في الأفران والثلاجات. إنها طريقة طهي الطعام ولماذا تبرد ثلاجتك طعامك.
يحدث انتقال الحرارة الإشعاعي عندما تنتقل الطاقة من جسم إلى آخر دون لمسها جسديًا. هذا هو نوع نقل الحرارة الذي يسخن الأجسام في الشمس.
عرض الجسيمات
هناك عدة طرق مختلفة يمكن استخدامها لحساب معامل انتقال الحرارة بين جسمين. واحدة من أكثر الطرق شيوعًا هي معادلة كلفن-هيلمهولتز، وهي معادلة رياضية تصف كيف يتصرف تدفق الحرارة بين جسمين. تعتمد هذه المعادلة على مبادئ التوصيل الحراري والانتشار. يمكن استخدام معادلة كلفن-هيلمهولتز لحساب معامل انتقال الحرارة بين أي جسمين على اتصال مع بعضهما البعض. بالإضافة إلى ذلك، يمكن أيضًا استخدام طريقة مونت كارلو لحساب معامل انتقال الحرارة بين جسمين. طريقة مونت كارلو فعالة من الناحية الحسابية ويمكن استخدامها لحساب معامل نقل الحرارة بين أي جسمين على اتصال مع بعضهما البعض.
طرق انتقال الحرارة
هناك ثلاث طرق رئيسية لنقل الحرارة: التوصيل، والحمل، والإشعاع. التوصيل هو أكثر أنواع نقل الحرارة شيوعًا، ويحدث عندما تنتقل الحرارة من جسم إلى آخر من خلال الاتصال المباشر. عادة ما يكون هذا هو أسرع أنواع نقل الحرارة، ويحدث من خلال الأسطح التي تكون على اتصال مباشر مع بعضها البعض. ينقل التوصيل الحرارة بسرعة كبيرة، لذلك عادةً ما يستخدم لأشياء مثل أواني الطهي أو صناديق نزهة الجليد. الحمل الحراري هو ثاني أكثر أنواع نقل الحرارة شيوعًا، ويحدث عندما تتحرك الأجسام الساخنة داخل السائل. عادة ما يكون هذا النوع من نقل الحرارة أبطأ من التوصيل، ولكن لا يزال بإمكانه تحريك الحرارة بسرعة كبيرة إذا كان السائل يتحرك بسرعة أيضًا. الإشعاع هو أبطأ أنواع نقل الحرارة، وينقل الحرارة عن طريق إرسال الفوتونات (جزيئات الضوء) عبر وسيط. يستخدم هذا النوع من نقل الحرارة عادةً لأشياء مثل تدفئة الأشياء أو تدفئة الغرف.
هناك أيضًا طرق مختلفة لنقل الطاقة باستخدام آليات مختلفة. ينقل التوصيل الحراري الطاقة عن طريق تحريك الجزيئات من منطقة إلى أخرى. ينقل الحمل الحراري الطاقة عن طريق تحريك الأشياء الساخنة أو الباردة. ينقل الإشعاع الحراري الطاقة عن طريق إرسال الفوتونات عبر وسيط. كل من هذه الآليات لها مزاياها وعيوبها، وستحتاج إلى اختيار أفضلها للموقف الذي تعيش فيه. على سبيل المثال، الإشعاع الحراري مفيد لتدفئة الأشياء أو تدفئة الغرف، لكنه ليس جيدًا عند نقل الطاقة كحمولة حرارية أو توصيل.
بشكل عام، يعد نقل الحرارة عملية مهمة ضرورية لأشياء مثل طهي الطعام أو إبقاء الأشياء دافئة. إنها مسؤولة أيضًا عن نقل الطاقة بين أجزاء مختلفة من أجسامنا، ولهذا السبب من المهم فهم كيفية عملها وكيفية استخدام النوع الصحيح من نقل الحرارة في الموقف.
نقل الحرارة بالتوصيل
نقل الحرارة هو عملية تنقل الطاقة الحرارية من مكان إلى آخر. هناك ثلاث طرق رئيسية لنقل الحرارة – التوصيل، والحمل الحراري، والإشعاع. التوصيل هو الطريقة الرئيسية لنقل الحرارة داخل الأجسام الصلبة أو بين الأجسام الصلبة، بينما الحمل الحراري هو عملية نقل الحرارة من جسم إلى آخر دون أي تلامس. الإشعاع هو طريقة لنقل الحرارة لا تعتمد على أي تلامس بين مصدر الحرارة والجسم المسخن.
نقل الحرارة بالحمل الحراري
يمكن أن تنتقل الحرارة من مكان إلى آخر بعدة طرق، معظمها ينطوي على نقل الطاقة الحرارية من خلال حركة المادة. في هذه المقالة سوف نناقش انتقال الحرارة من خلال الحمل الحراري، وهي عملية انتقال الحرارة بالحركة العيانية للكتلة.
نقل الحرارة بالحمل الحراري هو نقل الحرارة بين جسمين بواسطة تيارات غاز أو سائل متحرك. غالبًا ما تتم مناقشة هذا النمط من نقل الحرارة كطريقة متميزة لنقل الحرارة، ولكنه يتضمن عمليات التوصيل (انتشار الحرارة) والحمل الحراري. النموذج المستخدم لشرح انتقال الحرارة من خلال الجزء الأكبر من السوائل والغازات يتضمن الحمل الحراري.
الحمل الحراري هو عملية انتقال الحرارة من جسم إلى آخر بواسطة حركة الكتلة. يمكن أن يكون الحمل الحراري طبيعيًا أو قسريًا وينقل الطاقة الحرارية بشكل عام. يحدث الحمل القسري عندما يتم تطبيق قوة على سائل، كما هو الحال عند تسخين الهواء ثم إجباره على الخروج من غرفة ساخنة، أو عند تسخين الماء في وعاء ثم دفعه خارج الإناء باليد. يحدث الحمل الحراري الطبيعي عندما يتحرك السائل بسبب طاقته الحرارية الخاصة، مثل عندما تحرك الرياح الهواء أو الماء.
تتطلب جميع أنماط نقل الحرارة الثلاثة – التوصيل والحمل الحراري والإشعاع – تحريك المادة من أجل نقل الطاقة الحرارية. ومع ذلك، فإن الإشعاع هو الطريقة الوحيدة لنقل الحرارة التي لا تتطلب اتصال جسم بجسم آخر. يحدث الإشعاع عندما تتفاعل موجات الضوء مع المادة، مثلما يحدث عندما يسخن ضوء الشمس بشرتك.
انتقال الحرارة بالإشعاع
نقل الحرارة هو عملية تحدث بين جسمين لنقل الطاقة الحرارية. هناك عدة طرق لنقل الحرارة، ولكل منها مزاياها وعيوبها. يعد الإشعاع أحد أكثر طرق نقل الحرارة شيوعًا، والذي يحدث من خلال استخدام الموجات الكهرومغناطيسية. الإشعاع هو طريقة متعددة الاستخدامات لنقل الحرارة يمكن أن تحدث من خلال الفراغ أو الغاز أو الوسائط السائلة.
العوامل التي تؤثر على انتقال الحرارة
هناك العديد من الطرق التي يمكن من خلالها نقل الحرارة بين الأشياء، ولكل منها مجموعة مزاياها وعيوبها. تتضمن بعض الطرق الأكثر شيوعًا لنقل الحرارة التوصيل والحمل الحراري والإشعاع.
عند التفكير في كيفية نقل الحرارة بين جسمين، من المهم مراعاة مساحة السطح والحجم والمواد لكل منهما. بالإضافة إلى ذلك، يمكن أن يؤثر اختلاف درجة الحرارة بين الجسمين على معدل انتقال الحرارة.
التوصيل هو أكثر أنواع نقل الحرارة شيوعًا بين الأشياء، لأنه يتضمن اتصالًا مباشرًا. ومع ذلك، يتأثر التوصيل بدرجة الحرارة ؛ كلما ارتفعت درجة حرارة جسم واحد، كان معدل نقل الحرارة أبطأ.
الإشعاع هو نوع من نقل الحرارة لا يتضمن أي اتصال مباشر بين الأشياء. بدلاً من ذلك، يحدث الإشعاع الحراري على شكل موجات أو فوتونات. غالبًا ما يستخدم هذا النوع من نقل الحرارة لتوزيع الحرارة بالتساوي في جميع أنحاء الجسم أو الغرفة.
الحمل الحراري هو نوع من نقل الحرارة يتضمن حركة السوائل. غالبًا ما يستخدم هذا النوع من نقل الحرارة لتوزيع الحرارة بالتساوي في جميع أنحاء الجسم أو الغرفة.
بعض المواد أفضل من غيرها في توصيل الطاقة الحرارية. هذا بسبب الموصلية الحرارية الخاصة بهم ؛ يمكن للمواد ذات الموصلية الحرارية العالية أن تنقل حرارة أسرع من المواد ذات الموصلية الحرارية المنخفضة. بالإضافة إلى ذلك، يؤثر الاتصال بين جسمين على معدل انتقال الحرارة ؛ المواد التي تحتوي على المزيد من نقاط الاتصال ستوصل الطاقة الحرارية بشكل أسرع من المواد ذات نقاط الاتصال الأقل.
عامل مهم آخر يجب مراعاته عند نقل الحرارة بين الأجسام هو مساحة السطح. ستعمل الأجسام ذات المساحات الكبيرة على توصيل الطاقة الحرارية بسرعة أكبر من الأجسام ذات المساحات السطحية الصغيرة.
أخيرًا، من المهم فهم كيفية تأثير درجة الحرارة على التوصيل الحراري ومعدل انتقال الحرارة. المواد ذات الموصلية الحرارية العالية ستوصل الطاقة الحرارية بسرعة أكبر في درجات الحرارة المنخفضة مقارنة بالمواد ذات الموصلية الحرارية المنخفضة. بالإضافة إلى ذلك، عندما يكون لكائنان درجات حرارة مختلفة، فإن معدل انتقال الحرارة سيكون أبطأ بالنسبة للأجسام ذات درجة حرارة
تطبيقات نقل الحرارة
تجد طرق نقل الحرارة مجموعة متنوعة من التطبيقات في صناعات العمليات الكيميائية. سيسمح تسخين وتبريد خزانات الدُفعات، على سبيل المثال، بتشغيل المعدات في أفضل حالاتها. في المبادل الحراري، يتم نقل الطاقة الحرارية من جسم أو تيار سائل إلى آخر. تعتمد العديد من المجالات، بما في ذلك هندسة السيارات، والإدارة الحرارية للأجهزة والأنظمة الإلكترونية، والتحكم في المناخ، والعزل، ومعالجة المواد، والمعالجة الكيميائية، وكي الملابس بمكواة ضغط، على طرق نقل الحرارة لتعمل بشكل صحيح.
حدود نقل الحرارة
هناك مجموعة متنوعة من الطرق التي يمكن من خلالها نقل الحرارة، ولكن جميعها تتضمن شكلًا من أشكال الاتصال بين الأشياء التي يتم تسخينها والأشياء التي تنقل الحرارة. يُعرف نقل الحرارة من خلال الاتصال الجسدي بالتوصيل، وهو الشكل الأكثر شيوعًا لنقل الحرارة. يُعرف انتقال الحرارة عبر السوائل بالحمل الحراري، ويعرف انتقال الحرارة عبر الهواء بالإشعاع.
جميع الكائنات لها حدود لمقدار الحرارة التي يمكن أن تمتصها أو تنبعث منها، وتستند هذه الحدود إلى مجموعة متنوعة من العوامل بما في ذلك المواد المستخدمة، وبناء الجسم، وظروف الضغط ودرجة الحرارة. عندما يكون جسمان في حالة توازن حراري مع بعضهما البعض، فهذا يعني أن كل الحرارة التي تم نقلها قد تم امتصاصها بواسطة كائن أو آخر ولم يعد هناك المزيد من الحرارة المتاحة ليتم نقلها. يُعرف هذا بالتوازن الحراري، ويتم تحديده دائمًا عندما يحاول جسمان نقل الحرارة.
التوصيل هو الشكل الأكثر شيوعًا لانتقال الحرارة لأنه أقل العمليات استهلاكًا للطاقة. تنتقل الحرارة من خلال التلامس المادي بين الجسمين، وعادة ما يكون هذا النوع من نقل الحرارة بطيئًا بدرجة كافية بحيث يمكن تحقيق التوازن الحراري بسرعة نسبيًا.
الحمل الحراري هو ثاني أكثر أنواع نقل الحرارة شيوعًا لأنه يتضمن حركة الهواء الساخن أو السائل. تنتقل الحرارة من خلال السوائل عن طريق الغليان أو التبخير، مما يؤدي إلى ارتفاع السائل الساخن والابتعاد عن مصدر الحرارة. هذا النوع من نقل الحرارة سريع بما يكفي لتحقيق التوازن الحراري بسرعة كبيرة.
الإشعاع هو أقل أنواع نقل الحرارة شيوعًا لأنه لا يتضمن أي اتصال مادي بين الأشياء التي يتم تسخينها والأشياء التي تنقل الحرارة. وبدلاً من ذلك، يتم نقل الحرارة عبر الإشعاع بواسطة الموجات أو الفوتونات. هذا النوع من نقل الحرارة بطيء بدرجة كافية بحيث لا يمكن تحقيق التوازن الحراري في كثير من الأحيان في غضون فترة زمنية قصيرة.
يجب أن يكون جميع المصممين الإلكترونيين على دراية بالطرق المختلفة للتوصيل الحراري وكيفية عملها داخل جسم كبير. نقل حراري
خاتمة
طرق نقل الحرارة هي التوصيل والحمل والإشعاع. الحمل الحراري هو الطريقة السائدة لنقل الحرارة بين الأجسام ذات درجات الحرارة المختلفة ؛ يعتمد على مبدأ نقل الحرارة عن طريق حركة المادة السائلة. الإشعاع هو انتقال الحرارة عبر موجات الضوء. يعتبر نقل الحرارة بالإشعاع أقل كفاءة من نقل الحرارة بالتوصيل أو الحمل الحراري، ولكنه أيضًا أقل قابلية للاكتشاف.