إنتقال الحرارة

من ويكيبيديا، الموسوعة الحرة
اذهب إلى: تصفح، ‏ ابحث
Arwikify.svg يرجى إعادة صياغة هذه المقالة باستخدام التنسيق العام لويكيبيديا، مثل إضافة الوصلات والتقسيم إلى الفقرات وأقسام بعناوين. (مايو 2013)

انتقال الطاقة الحرارية، أو ما يسمى التدفق الحراري أو التبادل الحراري، هي عملية انتقال الطاقة الحرارية من الجسم الساخن إلى الجسم الأبرد، أي عندما يكون جسم ما ذو درجة حرارة مختلفة عما يحيط به من الأجسام، بحيث تحاول الأجسام الوصول إلى الإتزان الحراري، أي تملك كل منها نفس درجة الحرارة ويتم هذا التبادل من الجسم الأسخن إلى الجسم الأبرد، وهذا ما يؤكده القانون الثاني للديناميكا الحرارية الذي يقول أن انتقال الحرارة بين الأجسام القريبة لا يمكن إيقافه، ولكن يمكن إبطاؤه. وتصنف طرق نقل الحرارة إلى آليات مختلفة مثل التوصيل الحراري، الحمل، الإشعاع، أو انتقال الطاقة من خلال تغير حالة المادة. وقد أدرك المهندسون إمكانية انتقال الطاقة من تغير حالة المادة من خلال الخصائص الكيميائية للمادة، فعند انتقال المادة من حالة إلى أخرى يتم انتقال حراري في نفس النظام.

التوصيل الحراري[عدل]

يوضح الشكل اعلاه انتقال الحرارة من الجسم الأكثر ارتفاعاً في درجة الحرارة إلى الجسم الأقل درجة حرارة إلى ان تتساوي درجات الحرارة ويصل إلى حالة الاتزان الحراري. يوضح السهم في الشكل اتجاه انسياب الحرارة

التوصيل الحراري أو ما يسمى بالنشر أيضا هو تبادل مباشر للطاقة الحركية للجسيمات من خلال التقاء حدود النظامين أي عندما يكون الجسم لديه درجة حرارة مختلفة عن المحيط سيتم تدفق حرارة بين الجسم والمحيط للوصول إلى درجة حرارة متساوية بينهما وهذه النقطة ما يسمى بالإتزان الحراري.
يسمح التوصيل الحراري بالانتقال الحرارة عبر المواد الصلبة، فعندما نسخن مثلا قضيب حديدي من جهة، فالحرارة تنتقل بفعل التوصيل الحراري إلى الجهة الأخرى الباردة.
وعادة المواد ذات توصيل حراري جيد تكون كذلك ذات توصيل كهربائي جيد.وعندما نريد ضبط درجة حرارة المحيط لتحقيق راحة الإنسان، يجب أن يكون هناك نوع من انتقال الحرارة، كالتسخين حين يكون الجو باردا في فصل الشتاء أو التبريد حين يكون الجو حارا

تيارات الحمل[عدل]


الحمل الحراي وهو أساس انتقال الحرارة في الأجسام المائعة ويحدث إما بطريقة إجبارية أو طبيعية الطريقة الإجبارية حيث تتحرك دقائق المائع الناقل للحرارة حركة إجبارية تحركها تيارات يمكن ان تولدها أجهزة صناعية(مضخة,مروحة كهربائية) تعمل على ايجاد فرق في الضغط بين منطقتين المائع فتعمل حركة انتقال المائع على نقل الحرارة ويسمىالحمل الحراري القسري.
أما الحمل الطبيعي فيتم بسبب وجود اختلاف في الكثافة بين الهواء البارد والساخن، فالغازات الساخنة تقل كثافتها وبالتالي ترتفع إلى أعلى ويحل محلها غازات باردة..وهكذاويسمى الحمل الحراري الطبيعي

الإشعاع[عدل]

نفاذية الأشعة : أشعة ألفا تحجبها ورقة، وأشعة بيتا تحجبها شريحة من الألمونيوم، وأشعة جاما يحجبها لوح من الرصاص

انتقال الحرارة بالإشعاع هو عبارة عن انتقال الحرارة من مصدر تولدها إلى الوسط المحيط انتقال الحرارة بفعل الإشعاع يختلف عن الطرق الأخرى بأنه لا يحتاج أن يكون تماس بين الجسمين الذين يتبادلان الطاقة الحرارية، حتى ولو كان بينهم فراغ تام.
فالطاقة الحرارية يمكنها إن تتنقل في شكل موجات كهرومغنطيسية وبسرعة الضوء حتى تصل إلى الجسم الذي يمتص الحرارة أو يعكسها كلًها أو جزء منها. وهذه الموجات لا تسخن المحيط الذي تمر به إلا إذا امتص هذا الأخير جزء منها.
وجميع نوع موجات كهرومغناطيسية لها طاقة حرارية مثل الاشعة فوق الحمراء التي تستخدم لمعرفة التسرب الحراري في البيوت، وان القوانين نفسها التي تحكم انتقال الضوء هي نفسها التي تحكم انتقال الحرارة عن طريق الإشعاع.

التوصيل الحراري مقابل الحمل الحراري[عدل]

عندما يتم تسخين ماء في الحافظة الخاصة بها تحدث كلا الطريقتين داخل النظام وتحاول كل طريقة الوصول إلى الهيمنة على النظام فتصعد الكمية المائية الساخنة إلى الأعلى ويحل محلها الماء البارد عن طريق تيارات الحمل ولا يصعد هذا الأخير إلا عندما تصبح درجة حرارته أعلى من الماء الساخن الذي فوقه،
فتتم عملية انتقال الحرارة بينهم عن طريق التوصيل الحراري وهكذا حتى يصل الماء إلى درجة الغليان وفي نهاية هذا النظام تكون كمية انتقال الحرارة عن طريق تيارات الحمل هي التي هيمنة على النظام لأن التوصيل الحراري حدث بكمية قليلة جدا وقد يكون شكل التدرج في درجة الحرارة فقط.

عدد رايلي[عدل]

هو المقياس تحديد معدل انتقال الحرارة عن طريق التوصيل إلى انتقال الحرارة عن طريق الحمل الحراري حيث : Ra=g∆pl^3÷μα

g هو تسارع الجاذبية ρ هو فرق الكثافة بين طرفي السفلي والعلوي μ هي اللزوجة الديناميكية α هو انتشارية الحرارية β هوالحجم الحرارية T هي درجة الحرارة ν هي اللزوجة الحركية


5526625526631456333

الحرارة الكامنة للانصهار وللتصعيد وتفسير حدوثهما[عدل]


الحرارة الكامنة للانصهار :
وهي الطاقة اللازمة لتحويل 1 كغ من المادة من الحالة الصلبة إلى السائلة دون التغير في درجة حرارتها ووحدتها جول/ كغ

تفسير الانصهار عند دررجة الانصهار تصبح الاهتزازات للجزيئات كبيرة إلى الحد الذي يتم فيه كسر الروابط الجزيئية أو الذرية وو تصبح الجزيئات حرة الحركة في حدود الحيز الذي يشغله السائل.

الحرارة الكامنة للتصعيد :
و هي الطاقة اللازمة لتحويل 1 كغ من المادة من الحالة السائلة إلى الغازية دون التغير في درجة حرارتها ووحدتها جول/ كغ

تفسير التصعيد عند ارتفاع درجة الحرارة تزداد الطاقة الداخلية لجزيئات السائل ويزداد متوسط طاقة الحركة فتزداد معدلات الهروب للجزيئات

من التعريفين السابقين يتضح ان نقل الحرارة من خلال مرحلة انتقالية بين ظروف المادة مثل انتقال المياه إلى جليد – مياه إلى بخار – البخار إلى مياه –أو الجليد إلى مياه هذه الانتقالات تولد حرارة عالية يمكن استغلالها في نواح كثيرة : المحركات البخارية والثلاجات انتقال الحرارة عن طريق الغليان امر معقد ولكنه يمتلك أهمية فنية كبيرة جدا وتشكل بمنحنى شكله (S)متعلق بتدفق الحرارة باختلاف درجات حرارة الأسطح.

في الأسطح التي تكون درجات الحرارة فيها المنخفضة لا يحدث غليان ولكن يتم التحكم بمعدل تدفق الحرارة من قبل اليات ميكانيكية أما في الأسطح التي تملك درجات حرارة مرتفعة يحدث غليان وتظهر الفقاعات التي تنمو في داخل السائل المبرد وإن عملية توليد الفقاعات تتم عن طريق ارتفاع معدلات توليد الفقاعات وعند أكبر قدر من معدل توليد الفقاعات معدل التدفق الحراري يزداد بشكل سريع مع درجة حرارة السطح


التكثيف - انواعه وطرقه[عدل]

التكيف : يحدث التكثيف عندما يتم تبريد البخار ويتغير من حالته الغازية إلى السائلة حيث يتم في التكثيف فقد حرارة, مثل الغليان له أهمية كبيرة في مجال الصناعة وخلال التكيف ,لا بد من الإفراج عن الحرارة الكامنة للتبخير.
و كمية الحرارة هي نفسها التي استوعبت خلال التبخر لنفس السائل الذي يحمل نفس الضغط خلال التكثيف، لا بد من الإفراج عن الحرارة الكامنة لتبخير. كمية الحرارة هي نفسها التي استوعبت خلال التبخر لنفس السائل عند ضغط ثابت.

هناك عدة أنواع للتكثف :

1- االتكثف المتجانس مثل الذي يحدث في الضباب

2- التكثف من خلال الاتصال المباشر مع السائل

3- التكثف من خلال الاتصال المباشر مع جدارتبريد مبدل للحرارة وهذا النوع هو الأكثر شيوعا في الصناعة.

هناك طريقتين للتكاثف على الاسطح : 1- طريقة يشكل التكاثف سائل على السطح 2- طريقة يشكل التكاثف قطرات على السطح وهذا التكثيف تكون عملية تجميع القطرات صعبة لذلك يتم تصميم معدات صناعية لتجميعها.

المعادلة الحرارية والعوازل[عدل]

المعادلة الحرارية : وهي معادلة مهمة تصف توزيع الحرارة أو التباين في درجة الحرارة في منطقة معينة على مر الزمن في بعض الحالات يجب أن تحل هذه المعادلة حسابيأ يجب وضع عوازل حرارية.

العوازل الحرارية هي مواد مصممة خصيصا للحد من تدفق للحرارة عن طريق الحد من التوصيل، الحمل، أو كليهما وهي تساعد على حفظ الأجسام الساخنة كما هي وكذلك الأجسام الباردة توضع بين الوسط الساخن والوسط البارد، وتتمتع هذه المواد بناقلية حرارية صغيرة جداً، فهي رديئة التوصيل الحراري، ويعود ذلك لاحتوائها على كمية كبيرة من الهواء والغازات في تركيبها قد تصل نسبتها إلى أكثر من 95% من حجمها

معامل انتقال الحرارة[عدل]

Q=h*A*∆T

معامل انتقال الحرارة : تتم فيه التجارب التالية: 1- قياس معامل التوصيل الحرارى للمواد الصلبة (معادن موصلة جيدة لانتقال الحرارة ومواد عازلة للحرارة 2- قياس درجات الحرارة للسطح وللمائع. 3- قياس معامل انتقال الحرارة بالحمل (بين سطح ومائع(. 4- قياس معدل انتقال الحرارة لكل وحدة مساحية (للأسطح ذات التدفق الحرارى الثابت

حيث: Q =تدفق الحرارة في الإدخال أو فقد تدفق الحرارة)جول/ثانية)=واط h =معامل انتقال الحرارة(واط/(م.ك)) A =مساحة السطح، م2 K =الفرق في درجات الحرارة بين سطح صلب والمنطقة المحيطة بها السائل،

من المعادلة أعلاه، فإن معامل الانتقال الحراري هو معامل التناسب بين التدفق الحراري، وهذا هو تدفق الحرارة في وحدة المساحة والقوة الدافعة الحرارية لتدفق الحرارة أي الفرق في درجة الحرارة في واط لكل متر مربع كلفن

هناك طرق عديدة لحساب معامل انتقال الحرارة في مختلف وسائط نقل الحرارة، السوائل المختلفة، ونظم التدفق، وتحت ظروف مختلفة thermohydraulic. كثيرا ما يمكن أن يقدر بقسمة الموصلية الحرارية من السائل الحراري بواسطة مقياس طول. ويحسب في كثير من الأحيان معامل انتقال الحرارة من رقم Nusselt. وهناك أيضا آلات حاسبة على شبكة الإنترنت خصيصا لتطبيقات سائل النقل الحراري

معادلة Nusselt :

(Nu = Convective heat transfer coefficient (h)/ conductive heat transfer coefficient (kf

حيث: L == طول KF == الموصلية الحرارية للسوائل h= معامل انتقال الحرارة بالحمل


معامل الانتقال الحراري[عدل]

معامل الانتقال الحراري الكلي هو مقياس للقدرة العامة لسلسلة من الحواجز الموصلة والحمل الحراري لنقل الحرارة. ويطبق عادة على حساب انتقال الحرارة في المبادلات الحرارية، ولكن يمكن تطبيقها بشكل جيد على قدم المساواة إلى غيرها من المشاكل.
لحالة المبادلات الحرارية، ويمكن استخدامها لتحديد انتقال الحرارة الكلي بين التيارين في المبادل الحراري بواسطة العلاقة التالية:

Q= UA∆T حيث معدل انتقال الحرارة (واط)q

معامل الانتقال الحراري الكلي (واط / (م • ك))u

سطح منطقة الحرارة (م2)A

سجل يعني الفرق في درجة الحرارة (ك)T

ومعامل الانتقال الحراري الكلي يأخذ في الاعتبار نقل الحرارة الفردي، ومعاملات كل تيار والمقاومة للمواد الأنابيب.يمكن أن تحسب على أنها متبادلة من مجموع سلسلة من المقاومات الحرارية (ولكن وجود العلاقات أكثر تعقيدا، على سبيل المثال عندما نقل الحرارة يحدث بواسطة طرق مختلفة في نفس الوقت):

حيث R = المقاومة (ق) إلى تدفق الحرارة في جدار الأنابيب (واط/ك) معامل انتقال الحرارة هو نقل حرارة في وحدة المساحة لكل كلفن. وهكذا يتم تضمين منطقة في المعادلة لأنها تمثل المجال الذي يعمل على نقل الحرارة. والمناطق لكل تدفق تكون مختلفة لأنها تمثل منطقة التماس لكل جانب للسائل.
يتم حساب المقاومة الحرارية بسبب جدار الأنبوب من العلاقة التالية:

r= x/ (A*k) حيث x == سمك الجدار (م) k= الموصلية الحرارية للمادة (واط / (م • ك)) A == المساحة الكلية للمبادل حراري (م2) هذا ويمثل نقل الحرارة عن طريق التوصيل في الأنابيب. والتوصيل الحراري هو الصفة المميزة لهذه المادة خاصة.
وترد القيم من التوصيلات الحرارية لمختلف المواد في قائمة التوصيلات الحرارية. كما ذكرت سابقا في مقالة على نقل الحرارة معامل الحمل الحراري لكل تيار يعتمد على نوع من السوائل، وخصائص تدفق وخصائص درجة الحرارة.

المقاومة الحرارية[عدل]


المقاومة الحرارية : تتم في المباني من خلال إضافة طبقة إلى الجدار تعمل على خفض ملحوظ في معامل الانتقال الحراري الكلي وبالتالي بالأداء لهذا المبنى يمكن أن يحدث تلوث في المبنى بسبب معامل الغنتقال الحراي الكلي إذا كان بعيد عن الرقم المفروض تواجده

References[عدل]

Further reading[عدل]

وصلات خارجية[عدل]