رسانش گرمایی

با رسانندگی گرمایی اشتباه نشود.

-مقدمه

انتقال حرارت یکی از اصلی ترین نیروهای فیزیکی است که تمام واکنش ها را در این سیاره هدایت می کند. با توجه به قوانین ترمودینامیک، انتقال حرارت انرژی را قادر می سازد تا از انرژی برای تامین انرژی سیستم های روزانه بی شماری استفاده شود. مکانیسم انتقال حرارت با قانون اول ترمودینامیک توضیح داده شده است. این قانون بیان می کند که انرژی نه ایجاد می شود و نه از بین می رود، بلکه فقط بین سیستم ها منتقل می شود. به ناچار هنگام انتقال انرژی بین دو سیستم مقداری به محیط اطراف از دست می‌رود. این انرژی از دست رفته به صورت گرما رخ می دهد و می توان از آن به عنوان انرژی حرارتی نیز یاد کرد. انرژی حرارتی موجود در یک سیستم مسئول دمای محیط است.

در انتقال گرما، رسانش، رسانش گرما یا رسانش گرمایی حالتی از جابجایی انرژی درون یا بین بدنهٔ اجسام است که بر اثر گرادیان دما (به انگلیسی: طلس easqtarqaqf csb gradient)رخ می‌دهد. رسانش به معنای انتقال انرژی جنبشی ذرات مادهٔ پاسخ‌پذیر (به انگلیسی: مسارا معافیب) است. رسانش در همهٔ شکل‌های مادهٔ پاسخ‌پذیر صورت می‌گیرد، یعنی در جامدها، مایعها، گازها و پلاسماها. گرما خودبه‌خود تمایل دارد از جسمی با دمای بیشتر به جسمی با دمای کمتر شارش یابد. در نبود شارهای محرک، تغییرات دما در طول زمان به تعادل گرمایی میل است

در رسانش، بر خلاف همرفت و تابش گرمایی، گرما از درون خود جسم شارش می‌یابد. در جامدات، انتقال انرژی بر پایهٔ مدل الکترون آزاد و رسانش بر اثر ترکیب لرزش‌های مولکول‌های ساختار بلوری یا فونون صورت می‌پذیرد. در گازها و مایعات، رسانش نتیجهٔ برخورد و پخش مولکولی مولکول‌هایِ در حال حرکت تصادفی است. فوتونها عموماً با هم برخورد ندارند و جابجایی گرما بر اثر تابش الکترومغناطیسی به عنوان نوعی از رسانش گرمایی محسوب نمی‌شود. در جامدات جداییدن انتقال به وسیلهٔ فوتون‌ها از انتقال به وسیلهٔ مادهٔ پاسخ‌پذیر ساده نیست، اما در مایع‌ها درک این تفاوت ساده‌تر است و در گازها معمولاً در نظر گرفته می‌شود.

-روشهای انتقال حرارت

سه روش وجود دارد که انتقال حرارت را تسهیل می کند. این روش ها به نام های هدایت، همرفت و تابش شناخته می شوند. .تابش گرما را با استفاده از امواج الکترومغناطیسی منتقل می کند و هیچ برهمکنشی بین ماده ندارد. گرمایی که از خورشید می آید نمونه ای از تابش است.

همرفت در مایعات و گازها اتفاق می افتد و حرکت گرما را از یک مکان به مکان دیگر که توسط حرکت سیالات تسهیل می شود، توصیف می کند. هنگامی که گرم می شود، مایعات منبسط می شوند و چگالی کمتری پیدا می کنند. سیال داغ بالا می‌آید و سیال سرد را که بالای آن قرار دارد جابجا می‌کند و آن را به سمت منبع گرما فشار می‌دهد. این سیال سرد گرم می شود و به سمت بالا بالا می رود و جریان ثابتی از سیال از ناحیه ای با گرمای زیاد به گرمای کم ایجاد می کند. همرفت توضیح می دهد که چگونه رادیاتورهای قرنیزی می توانند کل اتاق را گرم کنند. هوای گرم تولید شده از رادیاتورها به سرعت به سمت بالا جریان می یابد و هوای سرد را به سمت بخاری روی زمین فشار می دهد و جریان هوای ثابتی ایجاد می کند.

انتقال حرارت از طریق رسانایی شامل انتقال حرارت بین دو ماده از تماس سطحی است. هیچ ماده ای بین مواد مبادله نمی شود، فقط انرژی. این نوع انتقال حرارت در مواد جامد اتفاق می افتد و در اثر ارتعاش ذرات ایجاد می شود. هنگامی که ذرات در یک جامد در معرض جریان انرژی قرار می گیرند شروع به تکان دادن، چرخش و ارتعاش می کنند و انرژی جنبشی ایجاد می کنند. یک مثال رایج از رسانایی، فرآیند گرم کردن تابه روی اجاق گاز است. حرارت حاصل از مشعل مستقیماً به سطح قابلمه منتقل می شود. دما اندازه گیری مقدار انرژی جنبشی پردازش شده توسط ذرات در یک نمونه از ماده است. هر چه یک ماده انرژی جنبشی بیشتری داشته باشد، دمای داخلی آن بالاتر خواهد بود

در علوم مهندسی، جابجایی گرما شامل فرایندهای تابش گرمایی، همرفت و گاهی جابجایی جرم می‌شود و اغلب بیش از یکی از این فرایندها در حال رخ دادن است. آهنگ رسانش گرمایی(H) با رابطه kA(Th-Tc)/L محاسبه می‌شود، که در آن k رسانندگی گرمایی ماده، A سطح ماده ،L طول ماده و Th-Tc اختلاف دمای دو انتهای ماده است.

-انتقال حرارت در فلزات

ماده ای با انرژی جنبشی بالا رسانایی گرمایی بالایی نیز خواهد داشت. رسانایی حرارتی نشان می دهد که یک ماده چقدر می تواند گرما را از خود عبور دهد. با نرخ جریان انرژی در واحد سطح در مقایسه با گرادیان دما تعریف می شود. بیشتر مقادیر رسانایی بر حسب وات بر متر بر درجه کلوین W/m•K بیان می شود.

هدایت حرارتی توضیح می دهد که چرا راه رفتن با پای برهنه روی کف کاشی سرد بسیار خنک تر از راه رفتن روی فرش است، حتی اگر هر دو در دمای اتاق هستند. کاشی ها و سنگ ها رسانایی حرارتی بالاتری نسبت به فرش و پارچه دارند، بنابراین می توانند گرما را با سرعت بسیار بیشتری از یک پا دور کنند و کاشی را در لمس خنک به نظر برسانند.

فلزات نمونه ای از مواد با رسانایی حرارتی بالا هستند که می توانند به سرعت گرما را انتقال دهند. ساختار داخلی یک مولکول فلزی حاوی الکترون های آزاد است که می توانند آزادانه در بخش عمده مواد حرکت کنند. این الکترون های آزاد به سرعت با ذرات دیگر برخورد می کنند و باعث می شوند که ساختار داخلی یک فلز سریعتر ارتعاش کند و سریعتر گرم شود. این ارتعاشات سریع باعث افزایش جریان انرژی و گرما در سراسر فلز می شود.

فلزاتی مانند مس، آلومینیوم و نقره اغلب برای ساخت وسایل و ابزار حرارتی استفاده می شود. لوله‌های مسی سیم‌هایی هستند که برای استفاده در خانه برای انتقال سریع انرژی و گرما از یک منطقه به منطقه دیگر بسیار محبوب هستند. آلومینیوم خواص حرارتی بسیار مشابهی با مس دارد و اغلب به عنوان جایگزینی مقرون به صرفه برای انجام همان عملکردها استفاده می شود. نقره یکی از پرکاربردترین فلزات برای کاربردهای حرارتی است. بیش از 35 درصد از کل نقره تولید شده در ایالات متحده برای مصارف الکترونیکی یا الکتریکی تولید می شود. تقاضا برای نقره همچنان به رشد خود ادامه می دهد، زیرا در حال تبدیل شدن به یک جزء حیاتی در تولید پنل های خورشیدی است. سایر مواد بسیار رسانای حرارتی مانند الماس نیز کاربردهای عملی زیادی دارند. پودر الماس اغلب در الکترونیک برای انتقال گرما از مناطق حساس استفاده می شود تا از گرمای بیش از حد محافظت کند.

-انتقال حرارت در غیر فلزات

مواد غیر فلزی برای انتقال گرما در طول شیب از یک منطقه سرد به یک منطقه گرم به فونون ها متکی هستند. پلاستیک ها، فوم ها و چوب همگی نمونه هایی از مواد با رسانایی حرارتی ضعیف هستند. این مواد به عنوان عایق شناخته می شوند و می توانند جریان گرما را محدود کنند. عایق ها کاربردهای بسیار مفیدی دارند که می توانند انرژی را از هدر رفتن در محیط محافظت کنند. فوم یک ماده عایق بسیار مفید برای خانه و ساختمان است. بیش از 50 درصد از کل انرژی خانه برای گرم کردن یا خنک کردن خانه استفاده می شود. استفاده از ماده ای با رسانای حرارتی بالا برای عایق کاری خانه می تواند میزان انرژی مورد نیاز برای گرم کردن یا خنک کردن ساختمان را به میزان قابل توجهی کاهش دهد. قیمت انرژی در سطح جهانی به طور مداوم در حال افزایش است و به منظور کاهش قبوض برق، حفظ هر چه بیشتر انرژی و گرما ممکن است ایده آل باشد.

-نتیجه گیری

رسانایی حرارتی یک ویژگی ماده بسیار مهم است که هزاران سیستم تولید را قادر می سازد تا به درستی و کارآمد عمل کنند. گرما به طور مداوم در هر اکوسیستمی به شکل انرژی از دست رفته مبادله می شود. استفاده از انرژی حرارتی برای استفاده در فرآیندهای صنعتی و عملی، فناوری‌های بسیار خوبی برای صرفه‌جویی در انرژی ایجاد کرده است که روزانه مورد استفاده قرار می‌گیرند. رسانایی، تابش و همرفت، راه های مختلفی هستند که گرما می تواند در یک سیستم حرکت کند. ساختار، چگالی و ترکیب مواد عواملی هستند که می توانند بر هدایت حرارتی یک نمونه تأثیر بگذارند. مواد با مقادیر رسانایی حرارتی بالا یا پایین برای انواع کاربردهای روزمره استفاده می شود. اگرچه بسیار دست کم گرفته شده است، اما بدون انتقال حرارت و تبادل حرارتی، زندگی یکسان نخواهد بود.

جستارهای وابسته

• رسانندگی گرمایی
• فهرست رسانندگی حرارتی مواد
• جریان الکتریکی
• معادله پخش همرفت
• لوله گرمایی
• قانون نفوذ فیک
• رسانش نسبیتی گرمایی
• Thermomass theory
• معادله چریچیل-برنشتاین
• عدد فوریه
• عدد بیو

منابع

• Dehghani, F ۲۰۰۷، CHNG2801 – Conservation and Transport Processes: Course Notes, University of Sydney, Sydney
• John H Lienhard IV and John H Lienhard V، 'A Heat Transfer Textbook', Third Edition, Phlogyston Press, Cambridge Massachusetts [۱]