بیایید در مورد اینکه انتقال حرارت چیست صحبت کنیم. این اصطلاح به فرآیند انتقال انرژی در ماده اشاره دارد. با یک مکانیسم پیچیده مشخص می شود که با معادله گرما توصیف می شود.
انواع انتقال حرارت
انتقال حرارت چگونه طبقه بندی می شود؟ هدایت گرما، همرفت، تابش سه حالت انتقال انرژی هستند که در طبیعت وجود دارند.
هر یک از آنها ویژگی ها، ویژگی ها و کاربردهای متمایز خود را در فناوری دارند.
رسانایی حرارتی
مقدار گرما به عنوان مجموع انرژی جنبشی مولکول ها درک می شود. وقتی با هم برخورد می کنند، قادرند بخشی از گرمای خود را به ذرات سرد منتقل کنند. هدایت حرارتی حداکثر در جامدات آشکار می شود، برای مایعات کمتر معمولی است، برای مواد گازی مطلقاً معمول نیست.
به عنوان مثالی که توانایی جامدات برای انتقال گرما از ناحیه ای به ناحیه دیگر را تأیید می کند، آزمایش زیر را در نظر بگیرید.
اگر دکمه های فلزی را روی یک سیم فولادی ثابت کنید، سپس انتهای سیم را به یک چراغ روحی در حال سوختن بیاورید، به تدریج دکمه ها شروع به افتادن از آن می کنند. هنگامی که حرارت داده می شود، مولکول ها شروع به حرکت با سرعت بیشتری می کنند، اغلب اوقاتبا یکدیگر برخورد کنند. این ذرات هستند که انرژی و گرمای خود را به مناطق سردتر می دهند. اگر مایعات و گازها به اندازه کافی سریع جریان گرما را فراهم نکنند، منجر به افزایش شدید گرادیان دما در منطقه گرم می شود.
تابش گرما
در پاسخ به این سوال که چه نوع انتقال حرارت با انتقال انرژی همراه است، توجه به این روش خاص ضروری است. انتقال تابشی شامل انتقال انرژی توسط تابش الکترومغناطیسی است. این نوع در دمای 4000 کلوین مشاهده می شود و با معادله هدایت گرما توصیف می شود. ضریب جذب به ترکیب شیمیایی، دما، چگالی گاز معین بستگی دارد.
انتقال حرارت هوا دارای حد مشخصی است، با افزایش جریان انرژی، گرادیان دما افزایش می یابد، ضریب جذب افزایش می یابد. پس از اینکه مقدار گرادیان دما از گرادیان آدیاباتیک بیشتر شد، همرفت رخ خواهد داد.
انتقال حرارت چیست؟ این فرآیند فیزیکی انتقال انرژی از یک جسم گرم به یک جسم سرد با تماس مستقیم یا از طریق پارتیشنی است که مواد را از هم جدا می کند.
اگر اجسام یک سیستم دماهای متفاوتی داشته باشند، فرآیند انتقال انرژی تا زمانی که تعادل ترمودینامیکی بین آنها برقرار شود، رخ می دهد.
ویژگی های انتقال حرارت
انتقال حرارت چیست؟ این پدیده چه ویژگی هایی دارد؟ شما نمی توانید آن را به طور کامل متوقف کنید، فقط می توانیدسرعتش را کم کنم؟ آیا از انتقال حرارت در طبیعت و فناوری استفاده می شود؟ این انتقال حرارت است که بسیاری از پدیده های طبیعی را همراهی می کند و مشخص می کند: تکامل سیارات و ستارگان، فرآیندهای هواشناسی در سطح سیاره ما. به عنوان مثال، همراه با تبادل جرم، فرآیند انتقال حرارت به شما امکان می دهد خنک کننده تبخیری، خشک کردن، انتشار را تجزیه و تحلیل کنید. بین دو حامل انرژی حرارتی از طریق یک دیوار جامد انجام می شود که به عنوان رابط بین اجسام عمل می کند.
انتقال گرما در طبیعت و فناوری راهی برای توصیف وضعیت یک جسم فردی، تجزیه و تحلیل خواص یک سیستم ترمودینامیکی است.
قانون فوریه
به آن قانون هدایت گرما می گویند، زیرا کل توان اتلاف حرارت، اختلاف دما را با سطح مقطع موازی، طول آن و همچنین با ضریب هدایت حرارتی مرتبط می کند. به عنوان مثال، برای خلاء، این شاخص تقریبا صفر است. دلیل این پدیده حداقل غلظت ذرات ماده در خلاء است که می تواند گرما را حمل کند. با وجود این ویژگی، در خلاء نوعی انتقال انرژی توسط تابش وجود دارد. استفاده از انتقال حرارت بر اساس قمقمه را در نظر بگیرید. دیوارهای آن به منظور افزایش فرآیند انعکاس دوتایی ساخته شده اند. هوا بین آنها پمپ می شود، در حالی که از دست دادن گرما کاهش می یابد.
همرفت
در پاسخ به این سوال که انتقال حرارت چیست، فرآیند انتقال حرارت در مایعات را در نظر بگیرید.یا در گازها با اختلاط خود به خود یا اجباری. در مورد جابجایی اجباری، حرکت ماده در اثر عمل نیروهای خارجی ایجاد می شود: پره های فن، پمپ. یک گزینه مشابه در شرایطی که همرفت طبیعی موثر نیست استفاده می شود.
یک فرآیند طبیعی در مواردی مشاهده می شود که با حرارت ناهموار، لایه های پایینی ماده گرم می شود. تراکم آنها کاهش می یابد، آنها بالا می روند. برعکس، لایه های بالایی خنک می شوند، سنگین تر می شوند و فرو می روند. علاوه بر این، فرآیند چندین بار تکرار می شود و در طول اختلاط، خود سازماندهی در ساختار گرداب ها مشاهده می شود، یک شبکه منظم از سلول های همرفت تشکیل می شود.
در اثر همرفت طبیعی، ابرها تشکیل می شوند، بارندگی می ریزد و صفحات تکتونیکی حرکت می کنند. از طریق جابجایی است که دانه ها روی خورشید تشکیل می شوند.
استفاده صحیح از انتقال حرارت حداقل اتلاف گرما و حداکثر مصرف را تضمین می کند.
جوهر همرفت
برای توضیح همرفت می توانید از قانون ارشمیدس و همچنین انبساط حرارتی جامدات و مایعات استفاده کنید. با افزایش دما، حجم مایع افزایش یافته و چگالی آن کاهش می یابد. تحت تأثیر نیروی ارشمیدس، یک مایع سبکتر (گرم شده) به سمت بالا میل می کند و لایه های سرد (متراکم) به سمت پایین می ریزند و به تدریج گرم می شوند.
وقتی مایع از بالا گرم می شود، مایع گرم در موقعیت اولیه خود باقی می ماند، بنابراین هیچ جابجایی مشاهده نمی شود. چرخه به این صورت استمایعی که با انتقال انرژی از مناطق گرم به مکان های سرد همراه است. در گازها، همرفت بر اساس مکانیسم مشابهی اتفاق می‌افتد.
از نقطه نظر ترمودینامیکی، همرفت به عنوان یک نوع انتقال حرارت در نظر گرفته می شود که در آن انتقال انرژی داخلی توسط جریان های جداگانه ای از موادی که به طور ناهموار گرم می شوند، انجام می شود. پدیده ای مشابه در طبیعت و در زندگی روزمره رخ می دهد. برای مثال، رادیاتورهای گرمایشی در حداقل ارتفاع از کف، نزدیک طاقچه نصب می شوند.
هوای سرد توسط باتری گرم می شود، سپس به تدریج بالا می رود، جایی که با توده های هوای سردی که از پنجره پایین می آید مخلوط می شود. همرفت منجر به برقراری دمای یکنواخت در اتاق می شود.
در میان نمونه‌های رایج همرفت اتمسفر، بادها هستند: بادهای موسمی، نسیم. هوایی که روی برخی از قطعات زمین گرم می شود، بر روی برخی دیگر سرد می شود، در نتیجه به گردش در می آید، رطوبت و انرژی منتقل می شود.
ویژگی های همرفت طبیعی
تحت تأثیر چندین عامل به طور همزمان است. به عنوان مثال، سرعت همرفت طبیعی تحت تأثیر حرکت روزانه زمین، جریان های دریا و توپوگرافی سطح قرار می گیرد. این همرفت است که مبنای خروج از دهانه های آتشفشان و لوله های دود، تشکیل کوه ها، اوج گرفتن پرندگان مختلف است.
در نتیجه
تابش حرارتی یک فرآیند الکترومغناطیسی با طیف پیوسته است که از ماده ساطع می شود و به دلیل انرژی درونی رخ می دهد. به منظور انجام محاسبات تابش حرارتی، درفیزیک از مدل جسم سیاه استفاده می کند. تشعشع حرارتی را با استفاده از قانون استفان بولتزمن شرح دهید. قدرت تابش چنین جسمی با مساحت سطح و دمای بدن نسبت مستقیم دارد که به توان چهارم می رسد.
هدایت حرارتی در هر جسمی که توزیع دما غیریکنواختی دارد امکان پذیر است. ماهیت این پدیده تغییر در انرژی جنبشی مولکول ها و اتم ها است که دمای بدن را تعیین می کند. در برخی موارد، هدایت حرارتی توانایی کمی یک ماده خاص برای هدایت گرما در نظر گرفته می شود.
فرایندهای تبادل انرژی حرارتی در مقیاس بزرگ به گرم شدن سطح زمین توسط تابش خورشید محدود نمی شود.
جریانهای همرفتی شدید در جو زمین با تغییر شرایط آب و هوایی در سراسر سیاره مشخص می شود. با تفاوت دما در جو بین مناطق قطبی و استوایی، جریان های همرفتی به وجود می آیند: جریان های جت، بادهای تجاری، جبهه های سرد و گرم.
انتقال گرما از هسته زمین به سطح باعث فوران های آتشفشانی، وقوع آبفشان ها می شود. در بسیاری از مناطق، از انرژی زمین گرمایی برای تولید برق، گرما در اماکن مسکونی و صنعتی استفاده می‌شود.
این گرما است که در بسیاری از فناوری های تولید شرکت کننده اجباری می شود. به عنوان مثال، پردازش و ذوب فلزات، ساخت مواد غذایی، پالایش روغن، کارکرد موتورها - همه اینها فقط در حضور انرژی حرارتی انجام می شود.
