أنواع انتقال الحرارة: معامل انتقال الحرارة

2024 مؤلف: Howard Calhoun | [email protected]. آخر تعديل: 2023-12-17 10:18

أي جسم مادي له خاصية مثل الحرارة ، والتي يمكن أن تزيد وتنقص. الحرارة ليست مادة مادية: فهي جزء من الطاقة الداخلية لمادة ما ، فهي تنشأ نتيجة لحركة الجزيئات وتفاعلها. نظرًا لأن حرارة المواد المختلفة قد تختلف ، فهناك عملية نقل الحرارة من مادة أكثر سخونة إلى مادة ذات حرارة أقل. هذه العملية تسمى نقل الحرارة. سننظر في الأنواع الرئيسية لنقل الحرارة وآليات عملها في هذه المقالة.

تحديد انتقال الحرارة

يمكن أن يحدث انتقال الحرارة ، أو عملية نقل درجة الحرارة ، داخل المادة ومن مادة إلى أخرى. في الوقت نفسه ، تعتمد شدة انتقال الحرارة إلى حد كبير على الخصائص الفيزيائية للمادة ودرجة حرارة المواد (إذا شاركت عدة مواد في نقل الحرارة) وقوانين الفيزياء. نقل الحرارة هو عملية تتم دائمًا من جانب واحد. المبدأ الرئيسي لنقل الحرارة هو أن الجسم الأكثر سخونة يعطي دائمًا حرارة لجسم ذي درجة حرارة منخفضة. على سبيل المثال ، عند كي الملابس ، مكواة ساخنةيعطي الدفء للسراويل وليس العكس. انتقال الحرارة هو ظاهرة تعتمد على الوقت وتميز التوزيع غير القابل للانعكاس للحرارة في الفضاء.

آليات نقل الحرارة

يمكن أن تتخذ آليات التفاعل الحراري للمواد أشكالًا مختلفة. هناك ثلاثة أنواع من انتقال الحرارة في الطبيعة:

1. الموصلية الحرارية هي آلية انتقال الحرارة بين الجزيئات من جزء من الجسم إلى آخر أو إلى كائن آخر. تعتمد الخاصية على عدم تجانس درجة الحرارة في المواد قيد الدراسة.
2. الحمل الحراري - التبادل الحراري بين الوسائط السائلة (سائل ، هواء).
3. العمل الإشعاعي هو انتقال الحرارة من أجسام (مصادر) ساخنة و ساخنة بسبب طاقتها على شكل موجات كهرومغناطيسية ذات طيف ثابت.

دعونا نفكر في الأنواع المدرجة لنقل الحرارة بمزيد من التفصيل.

التوصيل الحراري

في أغلب الأحيان ، يتم ملاحظة التوصيل الحراري في المواد الصلبة. إذا ظهرت ، تحت تأثير أي عوامل ، مناطق ذات درجات حرارة مختلفة في نفس المادة ، فإن الطاقة الحرارية من منطقة أكثر سخونة ستنتقل إلى منطقة باردة. في بعض الحالات ، يمكن ملاحظة هذه الظاهرة بصريًا. على سبيل المثال ، إذا أخذنا قضيبًا معدنيًا ، على سبيل المثال ، إبرة ، وقمنا بتسخينه على النار ، فسنرى بعد مرور بعض الوقت كيف تنتقل الطاقة الحرارية عبر الإبرة ، وتشكل توهجًا في منطقة معينة. في الوقت نفسه ، في مكان تكون فيه درجة الحرارة أعلى ، يكون التوهج أكثر إشراقًا ، وعلى العكس ، عندما يكون t أقل ، يكون أكثر قتامة. يمكن أيضًا ملاحظة التوصيل الحراري بين جسدين (كوب شاي ساخن ويد)

تعتمد شدة انتقال التدفق الحراري على العديد من العوامل ، والتي كشف عنها عالم الرياضيات الفرنسي فورييه. تشمل هذه العوامل في المقام الأول التدرج في درجة الحرارة (نسبة اختلاف درجة الحرارة في نهايات القضيب إلى المسافة من طرف إلى آخر) ، ومنطقة المقطع العرضي للجسم ، ومعامل التوصيل الحراري (إنه مختلف بالنسبة لجميع المواد ، ولكن أعلى مستوى لوحظ في المعادن). لوحظ أهم معامل التوصيل الحراري في النحاس والألمنيوم. ليس من المستغرب أن يتم استخدام هذين المعدنين في كثير من الأحيان في صناعة الأسلاك الكهربائية. وفقًا لقانون فورييه ، يمكن زيادة تدفق الحرارة أو تقليله عن طريق تغيير إحدى هذه المعلمات.

أنواع الحمل الحراري لنقل الحرارة

الحمل الحراري ، الذي يتميز بشكل أساسي بالغازات والسوائل ، يتكون من مكونين: التوصيل الحراري بين الجزيئات وحركة (توزيع) الوسط. تحدث آلية عمل الحمل على النحو التالي: مع زيادة درجة حرارة مادة سائلة ، تبدأ جزيئاتها في التحرك بشكل أكثر نشاطًا ، وفي حالة عدم وجود قيود مكانية ، يزداد حجم المادة. ستكون نتيجة هذه العملية انخفاض في كثافة المادة وحركتها الصعودية. مثال صارخ على الحمل الحراري هو حركة الهواء المسخن بالرادياتير من بطارية إلى السقف.

ميّز بين أنواع الحمل الحراري الحر والقسري لنقل الحرارة. يحدث انتقال الحرارة وحركة الكتلة في النوع الحر بسبب عدم تجانس المادة ، أي أن السائل الساخن يرتفع فوق البارد الطبيعيبطريقة لا تتأثر بالقوى الخارجية (مثل تدفئة غرفة بالتدفئة المركزية). مع الحمل القسري ، تحدث حركة الكتلة تحت تأثير القوى الخارجية ، على سبيل المثال ، تحريك الشاي بملعقة.

نقل الحرارة بالإشعاع

يمكن أن يحدث انتقال الحرارة بالإشعاع أو الإشعاع دون ملامسة شيء أو مادة أخرى ، وبالتالي يكون ذلك ممكنًا حتى في الفضاء الخالي من الهواء (الفراغ). انتقال الحرارة الإشعاعي متأصل في جميع الأجسام إلى حد أكبر أو أقل ويتجلى في شكل موجات كهرومغناطيسية ذات طيف مستمر. وخير مثال على ذلك هو الشمس. آلية العمل هي كما يلي: يشع الجسم باستمرار كمية معينة من الحرارة في الفضاء المحيط به. عندما تصطدم هذه الطاقة بجسم أو مادة أخرى ، يتم امتصاص جزء منها ، ويمر الجزء الثاني ، وينعكس الجزء الثالث في البيئة. يمكن لأي جسم أن يشع الحرارة ويمتص ، بينما المواد المظلمة قادرة على امتصاص حرارة أكثر من الضوء.

آليات نقل الحرارة المجمعة

في الطبيعة ، نادرًا ما توجد أنواع عمليات نقل الحرارة بشكل منفصل. في كثير من الأحيان يمكن رؤيتهم معًا. في الديناميكا الحرارية ، تحتوي هذه التوليفات على أسماء ، على سبيل المثال ، الموصلية الحرارية + الحمل الحراري هو نقل الحرارة بالحمل الحراري ، وتسمى الموصلية الحرارية + الإشعاع الحراري نقل الحرارة الإشعاعي. بالإضافة إلى ذلك ، هناك أنواع مشتركة من نقل الحرارة مثل:

• تبديد الحرارة -حركة الطاقة الحرارية بين غاز أو سائل ومادة صلبة
• نقل الحرارة هو نقل t من مادة إلى أخرى عبر عقبة ميكانيكية.
• يتم تشكيل انتقال الحرارة بالإشعاع الحراري من خلال الجمع بين الحمل الحراري والإشعاع الحراري.

أنواع انتقال الحرارة في الطبيعة (أمثلة)

يلعب انتقال الحرارة في الطبيعة دورًا كبيرًا ولا يقتصر على تسخين الكرة الأرضية بأشعة الشمس. تحدد التيارات الحرارية الشديدة ، مثل حركة الكتل الهوائية ، إلى حد كبير الطقس في جميع أنحاء كوكبنا.

الموصلية الحرارية لب الأرض تؤدي إلى ظهور السخانات وثوران الصخور البركانية. هذه مجرد أمثلة قليلة لانتقال الحرارة على نطاق عالمي. يشكلون معًا أنواعًا من نقل الحرارة بالحمل الحراري وأنواع موصلة إشعاعية لنقل الحرارة اللازمة للحفاظ على الحياة على كوكبنا.

استخدام نقل الحرارة في الأنشطة الأنثروبولوجية

الحرارة عنصر مهم في جميع عمليات الإنتاج تقريبًا. من الصعب تحديد نوع التبادل الحراري الذي يستخدمه الإنسان في المقام الأول في الاقتصاد الوطني. ربما كل الثلاثة في نفس الوقت. تُستخدم عمليات نقل الحرارة لصهر المعادن ، وإنتاج مجموعة واسعة من السلع تتراوح من العناصر اليومية إلى المركبات الفضائية.

من الأهمية بمكان بالنسبة للحضارة الوحدات الحرارية القادرة على تحويل الطاقة الحرارية إلى طاقة مفيدة. ضمنيمكن أن يطلق عليها وحدات البنزين والديزل والضاغط والتوربينات. لعملهم ، يستخدمون أنواعًا مختلفة من نقل الحرارة.