انتقال حرارت و انواع روش های آن + دانلود کتاب اینکروپرا و حل المسائل
انتقال حرارت (heat transfer) از اختلاف دمای بین دو جسم یا جسم با محیط اطراف ناشی می شود. گرما شکلی از انرژی است که بین جسم های مختلف تحت تعاملات حرارتی انتقال می یابد.
این علم به تحلیل آهنگ انتقال حرارت در سیستم می‌پردازد. انتقال گرما از طریق شارش گرما را نمی‌توان مستقیما اندازه‌گیری کرد ولی چون به یک کمیت قابل اندازه‌گیری به نام دما ارتباط دارد، دارای مفهوم فیزیکی است.
چه موقع انتقال حرارت بوجود می آید؟
وقتی بین دو نقطه یا دو ماده اختلاف دمایی وجود داشـته باشـد باعث به وجود آمدن گرادیان دما میشود. مثل اینکه در سیالات جریان در اختلاف فشار بوجود می آید. گرما به صورت طبیعی از جسم گرم به جسم سرد منتقل می شود(قانون دوم ترمودینامیک).
انواع روش های انتقال حرارت
انتقال حرارت به سه روش مختلف صورت می گیرد.
هدایتی (conduction)
جابه جایی (convection)
تشعشع(radiation)
انتقال گرما هدایت
هنگامی اتفاق می افتد که دو جسم با دمای مختلف در تماس با یکدیگر قرار داشته باشند. انتقال حرارت از جسم گرم به جسم سرد اتفاق می افتد و تا زمانی که اختلاف دمایی وجود داشته باشد ادامه می یابد.
مکانیزم انتقال گرما هدایت (Conduction)
انتقال گرما در این روش ناشی از حرکت مولوکل ها و برخورد آنها با همدیگر می باشد. در قسمتی از ماده که گرم تر است حرکت مولول ها سریع تر و در جایی که سرد تر است حرکت مولکول ها کند تر است. هنگامی که مولکول ها حرکت می کنند مولکول های گرم تر در اثر برخورد با مولکول سردتر و با سرعت کمتر مجاور می دهند و باعث انتقال حرارت می شوند.
تا زمانی این فرآیند انجام می شود که سرعت مولکول ها به مقدار ثابتی برسد. روش انتقال حرارت هدایت در سه حالت ماده یکسان نیست. مواد جامد چون فاصله بین ملکول هایشان کمتر است گرما را سریعتر منتقل می کنند، در مایعات میزان رسانایی از جامدات کمتر است و در گازها که فاصله ملکول ها از همه بیشتر است میزان رسانایی از همه کمتر است.
همه جامدات نیز به یک اندازه رسانایی ندارند فلزات بیشتر و نافلزات کمتر گرما را به این روش منتقل می کنند.
در روش انتقال حرارت هدایتی، به سبب اختلاف دمای جسم یا در سطح تماس دو جسم، بدون اختلاط جرم اتفاق می افتد. نرخ انتقال با استفاده از هدایتی با استفاده از قانون فوریه بیان می شود.
در این حالت انتقال گرما از ناحیه دما بالا به ناحیه دما پایین شارش دارد. انرژی به طریق هدایت انتقال یافته و آهنگ انتقال گرما متناسب است با:
(Q=-KA(dT/dx
که در آن Q نرخ حرارت با استفاده از روش هدایت ، K ضریب هدایت حرارتی جسم، A سطح عمود بر جهت انتقال حرارت و dT/dx گرادیان دما می باشد.
ضریب انتقال حرارت (Heat transfer coefficient)
به مقدار حرارت منتقل شده در اثر وجود گرادیان دما بین دو جسم گفته می شود. میزان گرمایی که به این روش منتقل می شود به اختلاف دمای دو طرف جسم، خواص فیزیکی و مشخصات هندسی آن بستگی دارد.
یک آزمایش عملی برای درک بهتر، اگر یک انتهای سیخی را به مدت زیادی داخل اجاقی گرم نماییم، انتهای دیگر آن نیز گرم می شود. این روش انتقال مربوط به گرما، شارش انرژی از طریق ماده را رسانش یا هدایت می گوییم.
فلزات، بویژه نقره، مس و آلومنیوم رساناهای خوب گرما و بیشتر غیرفلزات رساناهای ضعیف گرما هستند. در صورتی که از مواد با هدف جلوگیری از انتقال حرارت استفاده شود به آنها عایق می گوییم.
مقاومت حرارتی
انتقال حرارت در دیوارهای خارجی ساختمان ها از جمله مثال های معمول و کلاسیک در کاربرد هدایت می باشد. مثلا فرض کنید در شرایط دائمی دمای جدار داخلی دیوار T1 و دمای جداره خارجی T2 باشد.
قانون فوریه را می توان بصورت زیر نوشت:
ملاحظه می شود که می توان جریان انتقال حرارت فوق را با جریان الکتریسیته شبیه سازی نمود به این ترتیب که q با مقدار جریان الکتریسیته، deltax/k با مقاومت الکتریکی و delta T را با اختلاف پتانسیل الکتریکی شبیه سازی نمود. به این ترتیب یک مدار سری مطابق شکل می توان تشکیل داد، برای مدار تشکیل شده خواهیم داشت.
انتقال گرما جابه جایی (Convection Heat Transfer)
در انتقال حرارت به روش جابه جایی ملکول های ماده ضمن انتقال گرما حرکت می کنند.
برای ایجاد جریان همرفتی سه شرط لازم است:
۱- ماده باید مایع یا گاز باشد.
۲- بین دو نقطه از جسم اختلاف دما وجود داشته باشد یعنی قسمتی گرم و قسمتی سرد باشد.
۳- قسمت گرم پایین تر از قسمت سرد باشد.
گرما با استفاده از حرکت سیال در سطح با دو مکانیزم دیفیوژن و جریان بالک اتفاق می افتد. جابه جایی شامل هدایت حرارتی و حرکت سیال است. نرخ انتقال با استفاده از روش جابه جایی با استفاده از قانون نیوتن بیان می گردد.
Q = hA(Ts-T∞)
که در آن Ts دمای سطح، T∞ دمای محیط و h ضریب جابه جایی حرارتی است.
انواع انتقال حرارت جابه جایی
انتقال گرما به روش جابه جایی اجباری
زمانی بوجود می آید که جابجایی توسط یک عامل خارجی مثل فن یا پمپ یا باد ایجاد شود مثل رادیاتور ماشین، خنک کردن تجهیزات کامپیوتر.
انتقال گرما به روش جابه جایی اختیاری
انتقال گرما به شکل طبیعی یا آزاد در اثر تغییرات چگالی و یا نیروی شناوری بوجود می آید مثل شوفاژ.
وقتی یک سیال گرم می شود چگالی آن کم می شود و سبک می شود و بالا می رود.
اگر لباس را روی شوفاژ بگذاریم جلوی حرکت سیال را می گیـرد و انتقـال گرما را پـائین می آورد.
انتقال حرارت تشعشع یا تابش
در انتقال حرارت تابشی، گرما یا استفاده از مکانیزم تابش انرژی و یا حرکت موج از یک جسم به جسم دیگر اتفاق می افتد. در این روش برخلاف دو روش قبل برای انتقال گرما نیاز به ماده نیست مانند گرمای خورشید که از فضای بدون ماده عبور کرده و به ما می رسد.
میزان گرمای منتقل شده از روش تابش به دو عامل بستگی دارد : دمای جسم و رنگ آن
هرچه دمای یک جسم بیشتر باشد میزان گرمای تابش شده از آن بیشتر است و اگر دمای آن کمتر باشد بیش از آنکه گرما را تابش کند دریافت می کند.
رنگ نیز در میزان تابش اثر دارد اجسامی که سیاه هستند نسبت به سایر رنگ ها انرژی گرمایی بیشتری تابش می کنند و در عوض رنگ نقره ای از همه رنگ ها تابش کمتری دارد به همین دلیل است که بالن هایی که برای پروازهای طولانی مدت ساخته شده اند رنگ نقره ای دارند تا هوای گرم داخل بالن زود گرمای خود را منتقل نکند.
نرخ انتقال گرما تابشی با استفاده از قانون استفان بولتزمن بیان می گردد.
Q = σ.T4
که در آن T دمای مطلق سطح و σ ثابت اسفان بولتزمن است.
گرما به روش های مختلف، که هر کدام تحت شرایط مختلفی قابل انجام است، انتقال می یابد. تنها وجه مشترک این راه ها، انتقال حرارت از جسم گرمتر به جسم سردتر صورت است.
دانلود کتاب انتقال گرما و انتقال جرم اینکروپرا زبان اصلی وحل المسائل
