انتقال گرما: تفاوت میان نسخه‌ها

'''انتقال گرماحرارت''' (انتقال حرارت) {{انگلیسی| Heat transfer}} به تبادل انرژی گرمایی میان دو یا چند جسم یا سامانه (سیستم) فیزیکی گفته‌می‌شود.

انتقال گرماحرارت به سه روش روی می‌دهد؛ [[رسانش گرمایی|رسانش]](هدایت/Conduction)، [[همرفت|هم‌رفت]] (جابه‌جایی/Convection)، و [[تابش گرمایی|تابش]] (تشعشع/Radiation).

انتقال گرماحرارت با تغییر انرژی درونی ماده همراه است و بر پایه [[قانون دوم ترمودینامیک]] همیشه از جسم گرم‌تر به جسم سردتر روی می‌دهد.

شیوه‌های انتقال گرماحرارت عبارتند از:

'''[[رسانش گرمایی]]''' یا '''هازش گرمایی،،''' انتقال انرژی از راه انتقال [[انرژی جنبشی]] مولکول‌ها و اتم‌ها به مولکول‌ها و اتم‌ها همسایه خود است. برای رسانش گرمایی دو جسم باید در تماس با یکدیگر باشند.

'''[[همرفت|هم‌رفت]]''' به انتقال انرژی به دلیل جابه‌جایی [[شاره|سیال]] (مایع یا گاز) گفته‌می‌شود. جریان شارهسیال ممکن است با فرایندهای بیرونی به صورت اجباری ایجاد شود یا گاهی زمان‌ها (در میدان‌های گرانشی) توسط نیروهای رانشی هنگامی‌کههنگامی‌ که انرژی گرمایی شارهسیال را [[منبسط]] می‌کند (به عنوان مثال در یک ستون آتش) ایجاد شوند و در نتیجه باعث انتقال خودبه‌خود می‌شوند. فرایند دوم گاهی وقت‌ها هم‌رفت طبیعی (آزاد) نامیده می‌شود. همه فرایندهای هم‌رفتی گرما را تا حدودی به وسیله نفوذ منتقل می‌کنند.

نوع دیگری از هم‌رفت، هم‌رفت اجباری (نیرویی) است. در این مورد سیال با استفاده از [[پمپ]]، [[توربین]] یا وسایل مکانیکی دیگر برای جریان یافتن تحت اجبار قرار می‌گیرد.

این روش انتقال گرماحرارت ویژه سیالات است و در جامدات کاربردی ندارد؛ و بر خلاف روش رسانش، ماده برای انتقال گرماحرارت جابه‌جا می‌شود.

همواره عامل اصلی انتقال گرماحرارت به روش هم‌رفت اختلاف چگالی بین دو نقطه از سیال است و آنچه که باعث اختلاف چگالی بین دو نقطه می‌شود اختلاف دما می‌باشد؛ در نتیجه جریانی از حرکت سیال بین دو نقطه ایجاد می‌شود که به آن جریان هم‌رفتی می‌گویند.

در انتقال گرماحرارت به روش هدایت ابتدا قسمتی از ماده گرم می‌شود، مولکول‌های آن قسمت جنبش بیشتری پیدا می‌کنند سپس به مولکول‌های مجاور برخورد کرده آنها را نیز به حرکت درمی‌آورند. این کار در سراسر ماده ادامه می‌یابد تا این که ماده گرم می‌شود.

در روش جابه‌جایی مولکول‌های ماده ضمن انتقال گرماحرارت حرکت می‌کنند. برای ایجاد جریان هم‌رفت سه شرط لازم است:

# بین دو نقطه از جسم اختلاف دما وجود داشته باشد یعنی قسمتی گرم و قسمتی سرد باشد (شرط اولیه هر انتقال گرماحرارت).

در انتقال حرارت تابشی، گرما یا استفاده از مکانیسم تابش انرژی یا حرکت موج از یک جسم به جسم دیگر اتفاق می‌افتد. در این روش برخلاف دو روش قبل برای انتقال گرماحرارت نیاز به ماده نیست. مانند گرمای خورشید که از فضای بدون ماده عبور کرده و به ما می‌رسد.

برای مثال، [[معادله میسون]] (Mason) بیان تحلیلی تقریبی برای رشد قطرات آب بر پایه اثرات انتقال گرماحرارت در تبخیر و متراکم شدن است.

[[تبخیر]]: انتقال گرماحرارت در سیالات در حال جوش پیچیده‌است اما از اهمیت فنی قابل توجهی برخوردار است؛ و با استفاده از منحنی S مانند که وابستگی [[شار گرما]] به اختلاف دمای سطح را نشان می‌دهد مشخص می‌شود. در دماهای پایین، جوش اتفاق نمی‌افتد و میزان انتقال گرماحرارت با مکانیزم‌های معمول تک حالتی کنترل می‌شود. هنگامی‌که دمای سطح افزایش می‌یابد، [[جوش محلی]] رخ می‌دهد و هستهٔ حباب‌های بخار به سیال خنک‌تر مجاور رشد می‌کنند و فرو می‌پاشند. در سرعت‌های بالای تولید حباب، حباب‌ها شروع به تداخل می‌کنند.

در دماهای بالا، ماکزیمم مقدار شار انتقال گرماحرارت به دست می‌آید (شار دمای بحرانی یا CHF). در دماهای بالا، رژیم هیدرودینامیکی آرام فیلم جوشان به دست می‌آید. شار گرما در طول لایه‌های پایدار بخار کم است اما به آرامی‌با دما افزایش می‌یابد. ممکن است دیده شود که هر گونه تماس میان مایع و سطح، احتمالاً منجر به ایجاد بسیار سریع هسته‌های لایه‌های تازه بخار می‌شود (هستهٔ خودبخود).

پدیده‌های پیچیده انتقال گرماحرارت را می‌توان در روش‌های مختلف مدل کرد.

* [[تجزیه و تحلیل توده‌ای سیستم‌ها]]: تجزیه و تحلیل سیستم‌ها با استفاده از مدل ظرفیت توده‌ای یک تخمین متداول در رسانش گذرا است که ممکن است هنگامی‌که رسانش گرمایی داخل شی خیلی بیشتر از رسانش گرمایی در مرزهای جسم است، مورد استفاده قرار گیرد. این روش تقریبی است که یکی از جنبه‌های هدایت گذرای سیستم –در داخل جسم-را به یک سیستم معادل حالت پایدار کاهش می‌دهد. در این روش فرض بر این است که دما در داخل جسم کاملاً یکسان است؛ اگر چه مقدار آن ممکن است با زمان در حال تغییر باشد. در این روش، نسبت مقاومت در برابر گرمای رسانشی در درون جسم به مقاومت در برابر انتقال گرمایحرارتی هم‌رفت در مرزهای جسم که به عنوان [[عدد بیو]] شناخته می‌شود، محاسبه می‌شود.

برای عددهای بایو کوچک تخمین دمای یکنواخت مکانی در داخل جسم می‌تواند به کار رود و فرض شده‌است که انتقال گرماحرارت در جسم زمان برای توزیع یکنواخت درون خود با توجه به مقاومت کمتر به انجام این کار در مقایسه با مقاومت برای گرمای ورودی به جسم دارد. تجزیه و تحلیل توده‌ای سیستم‌ها اغلب پیچیدگی معادلات را به [[معادله دیفرانسیل خطی]] مرتبه اول کاهش می‌دهد که در آن گرمایش و سرمایش با حل [[تابع نمایی]] ساده شرح داده می‌شوند و اغلب به عنوان قانون سرمایش نیوتون اشاره دارد.

[[پرونده:Heat Wave.jpg|بندانگشتی|[[موج گرما]]، موردی از مطالعهٔ انتقال گرماحرارت در [[آب و هوا]]]]

مسئلهٔ توزیع دما و شارش گرما در بسیاری از شاخه‌های دانش و مهندسی مطرح است. برای نمونه در طراحی [[دیگ بخار|دیگ‌های بخار]]، [[چگالنده]]‌ها، [[تبخیرکننده]]‌ها، [[مبدل حرارتی|مبدل‌های حرارتی]] و رادیاتورها تحلیل انتقال گرماحرارت برای محاسبهٔ اندازهٔ آن‌ها لازم است.