انتقال گرما

انتقال گرما یا انتقال حرارت صورتی از انرژی است که بر اثر اختلاف دما بین دو جسم از جسم بادمای گرم به جسم با دمای سرد انتقال پیدا میکند.

گرمای انتقال یافته می تواند دمای جسم را تغییر دهد .

و باعث افزایش دمای جسم میگردد،

علاوه بر این گرمای انتقال یافته می تواند باعث تغییر شکل و یا تغییر حالت جسم  شود.

سرعت انتقال گرما (حرارت)  در جامدات زودتر صورت میگیرد

و علت آن نزدیک تر بودن مولوکولهای اجسام جامد می باشد که به هم نزدیکترند .

واحد اندازه گیری گرما ژول می باشد که آنرا با نماد  (J) نمایش میدهند .

روش های انتقال گرما (انتقال حرارت)

روش های انتقال گرما و حرارت:

معمولا گرما از جای گرم تر به جای سردتر منتقل می شود. این گرما به سه روش شارش می یابد:

1. انتقال گرما از طریق رسانایی ویا (رسانش)

انتقال حرارت به روش رسانس ( Conduction ) به دلیل ارتعاش مولوکولی و حرکت الکترون ها است.

2. انتقال گرما از طریق همرفتی ویا (کنوکسیون)

انتقال حرارت به روش جا به  جایی و همرفت (Convection) به دلیل حرکت سیال است.

3. انتقال گرما از طریق تابش (تشعشع)

انتقال حرارت به روش تابش (Radiation ) به دلیل موج های الکترومغناطیس است.

 انتقال گرما از طریق رسانایی (رسانش)

انتقال گرما و حرارت از طریق ماده را  رسانش گرمایی می گویند.

مثالی برای گرمایش از طریق رسانش در آزمایش قرار دادن یک سر میله فلزی در  آتش است.

که در این آزمایش زمانی که یک سر میله فلزی برای مدتی در آتش نگهدریم سر دیگر میله که در دست ماست پس از مدتی گرم میشود.

علت گرم شدن میله آن است که مولکول های مجاور چشمه ی گرم (مولوکول های که در مجاورت شعله آتش قرار گرفته اند ).

گرم شده و با دامنه ی بیشتری ارتعاش پیدا می کنند، و سپس هر مولکول به مولکول مجاور خود ضربه زده و دامنه ارتعاش آن را بیشتر می کند.

به این ترتیب گرما در داخل جسم منتشر می شود.

انتقال گرما به روش رسانش :

-مولکول های گرم منتقل نمی شوند بلکه انرژی خود را به صورت انرژی جنبشی به مولکول های سرد مجاور انتقال می دهند.

به عبارت دیگر در روش رسانایی ماده ثابت است و گرما از مولکولی به مولکول دیگر منتقل می شود.

– انتقال گرما:

به وسیله الکترون ها،مولوکول ها و اتم های آزاد از یک جسم به جسم دیگر را رسانش گرما می گویند.

انتقال حرارت از طریق رسانش در هر سه حالت جامد، مایع و گاز صورت می گیرد،

اما در جامدات بیشتر انجام می گیرد زیرا هر چه مولکول های یک جسم به هم نزدیک تر باشند،

گرما با سرعت بیش تری در ماده منتقل می شود.

قابلیت رسانش جامدات

قابلیت رسانش جامدات به جنس آن ها بستگی دارد. به طوری که در فلزات رسانش بسیار قوی و سریع است به همین دلیل آن ها را رسانای گرما می نامند .

ولی موادی مانند شیشه، چوب، پلاستیک گرما را بسیار آهسته منتقل می کنند به همین دلیل آن ها را نارسانا(عایق)  می‌نامند.

در بین فلزات رسانایی نقره، مس، طلا، آلومینیوم بیشتر از بقیه است. مایعات به خصوص آب معمولاً رسانای‌ضعیف گرما هستند.

(جیوه فلز مایع و فلزات مذاب رسانا هستند) گازها و از جمله هوا نیز رسانای ضعیف گرما هستند.

فلزات رسانای خوبی هستند، زیرا در پدیده رسانش وجود الکترون های آزاد بسیار مؤثر است.

فلزات دارای الکترون های آزاد بسیاز زیادی هستند.

هنگامی که به نقطه ای از فلز گرما بدهیم الکترون های آزاد انرژی جنبشی بیشتری به دست می آورند و سریع تر حرکت می کنند.

الکترون های سریع حامل انرژی،

از قسمت های گرم فلز به قسمت های سرد آن پخش می شوند و در برخورد با مولکول های فلز، انرژی جنبشی خود را به آن منتقل می کنند.

با این فرایند انرژی گرمایی به سرعت از قسمت های گرم به قسمت های سرد منتقل می شود.

انتقال گرما به روش همرفت (جابجایی)

انتقال گرما به روش  همرفتی (جابجایی) یکی دیگر از روش های انتقال حرارت می باشد .

همان طور که قبلا اشاره شد مایعات و گازها گرمای قابل توجهی را هدایت نمی کنند. انتقال گرما در مایعات و گازها به وسیله روش جا به جایی صورت می گیرد.

جریان باد کره زمین، گرمایی که از روی شعله آتش به سمت بالا می رود.

نمونه:

مکش در دودکش بخاری نمونه هایی از وزش طبیعی هستند.

استفاده از یک پمپ برای گردش آب گرم یا سرد یا استفاده از یک بادبزن برای به جریان انداختن هوای گرم یا سرد نمونه هایی از وزش اجباری هستند.

در هر حال همرفت انتقال گرما به وسیله حرکت مولکول ها از یک محل به محل دیگر است.

بدین شکل  که مولکول های گرم شده از یک محل به محل دیگر حرکت کرده و گرما را با خود جابه جا می کنند.

هوا در اثر تماس با وسیله گرم کننده مانند رادیاتور یا بخاری گرم می شود،

منبسط شده و در نتیجه سبک تر می شود، به سمت بالا حرکت کرده

و هوای سرد و سنگین را به آرامی جایگزین آن می کند و این عمل تکرار می شود.

نمونه دیگر :

مثالی دیگر برای  ظرف آبی است که آنرا به وسیله چراغی گرم کنیم،

اگر شعله به یک قسمت از ظرف آب نزدیک باشد،

پس از مدتی مشاهده خواهیم کرد تمام آب به جوش می آید.

علت این پدیده آن است که آب در مکانی که گرما می گیرد منبسط و سبک می شود

و به طرف بالا حرکت می کند و آب سرد که سنگین تر است جای آن را می گیرد.

این عمل آن قدر ادامه می یابد تا آن که همه ی آب گرم شده و سرانجام به جوش می آید.

روش انتقال حرارتی که در آن انتقال گرما از راه انتقال مولکول ها صورت می گیرد، همرفتی یا جابه جایی نامیده می شود.

درمایعات و گاز ها:

در مایعات و گازها(سیالات) که مولکول ها به راحتی می توانند جابه جا شوند، گرما از طریق همرفتی منتقل می شود.

وجود جریان های گرم و سرد دریایی و انواع بادها در اثر جریان همرفتی به وجود می آید.

در روش انتقال گرما به روش همرفت، خود ماده با جابه جا شدن گرما را منتقل می کند.

و در در جریان همرفتی شارش مایع یا گاز بر اثر تغییر چگالی است.

انتقال گرما به روش تابش (تشعشع)

در انتقال گرما به روش تابش (گرمایش تابشی چیست؟)، نیازی به وجود ماده واسط ندارد ،

در این روش گرما به صورت نور یا امواج الکترومغناطیسی از چشمه های داغ و ملتهب به اطراف گسیل می کند .

یک دسته از امواج الکترومغناطیسی، پرتوهای فرو سرخ هستند این پرتوها وقتی به جسمی بتابند گرمای زیادی تولید می‌کنند.

در تابش ماده منتقل نمی شود لذا نیازی به محیط مادی یا مولکول هایی که انرژی گرمایی را منتقل کنند ندارد.

یعنی می توانند در خلاء نیز از طریق تابش می تواند گرما را انتقال دهد.

از این روش گرمایشی در طراحی وساخت سامانه گرمایش تابشی موضعی و سامانه های گرمایش تابشی مرکزی استفاده شده است .

که قابلیت های بسیار بالایی در گرمایش محیط داردکه می توانید از اینجا با انواع آن آشنا شوید.

تبادل گرمایی:

در این نوع تبادل، هر جسم با اجسام دیگر در صورت تفاوت دما تبادل انرژی دارد.

این تبادل انرژی از طریق تشعشع از جسم با دمای بالاتر به جسم با دمای پایین‌تر صورت می‌گیرد و به هم دما شدن این دو جسم منجر می شود.

یکی از معروف‌ ترین نظریه‌های موجود، تشعشع را به صورت انتشار مجموعه‌ای از ذرات به نام کوانتا یا فتون می‌داند.

نظریه دیگری نیز وجود دارد که تشعشع را انتشار امواج الکترومغناطیس می‌داند.

بر اساس هر دو نظریه، می‌توان تشعشع را به دو خاصیت مهم امواج یعنی به فرکانس و طول موج ارتباط داد.

بر اساس این رابطه حاصل تقسیم سرعت نور در محیط بر فرکانس برابر با طول موج است.

روش تابش :

انتقال گرما به طریق تابش بسیار سریع (با سرعت نور) صورت می‌گیرد اما در روش‌های رسانایی و همرفتی بسیار کند است.

سرعت انتقال گرما از طریق همرفتی ( سرعت انتقال گرما از طریق رسانایی ). انتقال سرعت گرما از طریق تابش انتقال گرمای تابشی،

از دو نظر با دو روش قبلی تفاوت دارد

اول اینکه در این روش برای انتقال گرما نیازی به محیط مادی نیست،

و این عمل در خلاء هم صورت می‌گیرد.

دوم این که انتقال گرمای هدایتی .

و جا به‌ جایی در جهت کاهش دما صورت می‌گیرد

در حالی که انتقال گرمای تابشی می‌تواند بین دو جسم که توسط یک محیط سرد از یکدیگر جدا شده‌اند هم صورت بگیرد.

انواع تئوری های تابش :

تئوری‌های مختلفی برای تابش ارائه شده است.

یک تئوری، تابش را به انتشار بسته‌های انرژی به نام فوتون مرتبط می‌داند.

در تئوری دیگر تابش به صورت انتشار امواج الکترو مغناطیس در نظر گرفته می‌شود.

انتقال گرما از طریق تابش و یا تابش گرمایی بخشی از طیف الکترومغناطیس است که طول موجش در محدوده ۰٫۱ تا ۱۰۰ میکرومتر است .

و شامل قسمتی از امواج ماورای بنفش،

کل امواج مرئی و مادون قرمز است. این نوع از تابش در اثر حرکات چرخشی و ارتعاشی مولکولی، اتم‌ها و الکترون‌های مواد حاصل می‌ گردد.

تشعشع گرمایی به طور دائم در کل اشکال ماده (جامد، مایع و گاز) که دارای دمای بالاتر از صفر مطلق هستند صورت می پذیرد.