إنتقال الحرارة
انتقال الطاقة الحرارية
انتقال الطاقة الحرارية التعريف و ألياته:
انتقال الطاقة الحرارية، او ما يسمى التدفق الحراري أو التبادل الحراري، هي عملية انتقال الطاقة الحرارية من الجسم الساخن إلى الجسم الأبرد أي عندما يكون جسم ما ذو درجة حرارة مختلفة عما يحيط به من الأجسام بحيث تحاول الاجسام الوصول الى الاتزان الحراري أي تملك كل منها نفس درجة الحرارة و يتم هذا التبادل من الجسم الاسخن الى الجسم الابرد ,
و هذا ما يؤكده القانون الثاني للديناميكا الحرارية و إن انتقال الحرارة بين الأجسام القريبة لا يمكن أيقافه، ولكن يمكن إبطاؤه.و تصنف نقل الحرارة إلى اليات مختلفة مثل التوصيل الحراري , الحمل , الإشعاع , او انتقال الطاقة من خلال تغير حالة المادة .
و قد ادرك المهندسين امكانية انتقال الطاقة من تغير حالة المادة من خلال الخصائص الكيميائية للمادة فعند انتقال المادة من حالة الى اخرى يتم انتقال حراري في نفس النظام .
___________________________________________________________________________________________________________________________________
التوصيل الحراري:
التوصيل الحراري او ما يسمى بالنشر ايضا هو تبادل مباشر للطاقة الحركية للجسيمات من خلال التقاء حدود النظامين أي عندما يكون الجسم لديه درجة حرارة مختلفة عن المحيط سيتم تدفق حرارة بين الجسم و المحيط للوصول الى درجة حرارة متساوية بينهما و هذه النقطة ما يسمى بالإتزان الحراري.
يسمح التوصيل الحراري بالانتقال الحرارة عبر المواد الصلبة، فعندما نسخن مثلا قضيب حديدي من جهة، فالحرارة تنتقل بفعل التوصيل الحراري إلى الجهة الأخرى الباردة.
وعادة المواد ذات توصيل حراري جيد تكون كذلك ذات توصيل كهربائي جيد.وعندما نريد ضبط درجة حرارة المحيط لتحقيق راحة الإنسان، يجب أن يكون هناك نوع من انتقال الحرارة، كالتسخين حين يكون الجو باردا في فصل الشتاء أو التبريد حين يكون الجو حارا في فصل الصيف.
___________________________________________________________________________________________________________________________________
تيارات الحمل :
الحمل الحراي وهو أساس انتقال الحرارة في الأجسام المائعة ويحدث إما بطريقة اجبارية او طبيعية الطريقة الاجبارية حيث تتحرك دقائق المائع الناقل للحرارة حركة اجبارية تحركها تيارات يمكن ان تولدها اجهزة صناعية تعمل على ايجاد فرق في الضغط بين منطقتين المائع فتعمل حركة انتقال المائع على نقل الحرارة .
أما الحمل الطبيعي فيتم بسبب وجود اختلاف في الكثافة بين الهواء البارد و الساخن , فالغازات الساخنة تقل كثافتها وبالتالي ترتفع إلى أعلى ويحل محلها غازات باردة ___________________________________________________________________________________________________________________________________
الإشعاع:
إنتقال الحرارة بالإشعاع هو عبارة عن انتقال الحرارة من مصدر تولدها الى الوسط المحيط انتقال الحرارة بفعل الإشعاع يختلف عن الطرق الاخرى بأنه لا يحتاج أن يكون تماس بين الجسمين الذين يتبادلان الطاقة الحرارية، حتى ولو كان بينهم فراغ تام.
فالطاقة الحرارية يمكنها إن تتنقل في شكل موجات كهرومغنطيسية وبسرعة الضوء حتى تصل إلى الجسم الذي يمتص الحرارة أو يعكسها كلًها أو جزء منها. وهذه الموجات لا تسخن المحيط الذي تمر به إلا إذا امتص هذا الأخير جزء منها.
وجميع أنواع الموجات الكهرومغناطيسية لها طاقة حرارية مثل الاشعة فوق الحمراء التي تستخدم لمعرفة التسرب الحراري في البيوت , و ان القوانين نفسها التي تحكم انتقال الضوء هي نفسها التي تحكم انتقال الحرارة عن طريق الإشعاع .
___________________________________________________________________________________________________________________________________
التوصيل الحراري مقابل الحمل الحراري :
عندما يتم تسخين ماء في الحافظة الخاصة بها تحدث كلا الطريقتين داخل النظام و تحاول كل طريقة الوصول إلى الهيمنة على النظام فتصعد الكمية المائية الساخنة إلى الأعلى ويحل محلها الماء البارد عن طريق تيارات الحمل ولا يصعد هذا الأخير إلا عندما تصبح درجة حرارته أعلى من الماء الساخن الذي فوقه،
فتتم عملية انتقال الحرارة بينهم عن طريق التوصيل الحراري وهكذا حتى يصل الماء إلى درجة الغليان و في نهاية هذا النظام تكون كمية انتقال الحرارة عن طريق تيارات الحمل هي التي هيمنة على النظام لأن التوصيل الحراري حدث بكمية قليلة جدا و قد يكون شكل التدرج في درجة الحرارة فقط .
___________________________________________________________________________________________________________________________________
عدد رايلي : و هو المقياس تحديد معدل انتقال الحرارة عن طريق التوصيل الى انتقال الحرارة عن طريق الحمل الحراري حيث : Ra=g∆pl^3÷μα
g هو تسارع الجاذبية ρ هو فرق الكثافة بين طرفي السفلي والعلوي μ هي اللزوجة الديناميكية α هو انتشارية الحرارية β هوالحجم الحرارية T هي درجة الحرارة ν هي اللزوجة الحركية
___________________________________________________________________________________________________________________________________
الحرارة الكامنة للإنصهار و للتصعيد و تفسير حدوثهما
الحرارة الكامنة للانصهار :
وهي الطاقة اللازمة لتحويل 1 كغ من المادة من الحالة الصلبة إلى السائلة دون التغير في درجة حرارتها و وحدتها جول/ كغ
تفسير الإنصهار عند دررجة الإنصهار تصبح الإهتزازات للجزيئات كبيرة إلى الحد الذي يتم فيه كسر الروابط الجزيئية أو الذرية وو تصبح الجزيئات حرة الحركة في حدود الحيز الذي يشغله السائل .
الحرارة الكامنة للتصعيد :
و هي الطاقة اللازمة لتحويل 1 كغ من المادة من الحالة السائلة إلى الغازية دون التغير في درجة حرارتها و وحدتها جول/ كغ
تفسير التصعيد عند ارتفاع درجة الحرارة تزداد الطاقة الداخلية لجزيئات السائل و يزداد متوسط طاقة الحركة فتزداد معدلات الهروب للجزيئات
من التعريفين السابقين يتضح ان نقل الحرارة من خلال مرحلة انتقالية بين ظروف المادة مثل انتقال المياه إلى جليد – مياه إلى بخار – البخار إلى مياه –أو الجليد إلى مياه هذه الإنتقالات تولد حرارة عالية يمكن استغلالها في نواح كثيرة : المحركات البخارية و الثلاجات انتقال الحرارة عن طريق الغليان امر معقد و لكنه يمتلك أهمية فنية كبيرة جدا و تشكل بمنحنى شكله (S)متعلق بتدفق الحرارة بإختلاف درجات حرارة الأسطح.
في الأسطح التي تكون درجات الحرارة فيها المنخفضة لا يحدث غليان و لكن يتم التحكم بمعدل تدفق الحرارة من قبل اليات ميكانيكية أما في الأسطح التي تملك درجات حرارة مرتفعة يحدث غليان و تظهر الفقاعات التي تنمو في داخل السائل المبرد و إن عملية توليد الفقاعات تتم عن طريق ارتفاع معدلات توليد الفقاعات و عند اكبر قدر من معدل توليد الفقاعات معدل التدفق الحراري يزداد بشكل سريع مع درجة حرارة السطح
___________________________________________________________________________________________________________________________________
التكثيف - انواعه و طرقه -:
التكيف : يحدث التكثيف عندما يتم تبريد البخار و يتغير من حالته الغازية إلى السائلة حيث يتم في التكثيف فقد حرارة, مثل الغليان له أهمية كبيرة في مجال الصناعة و خلال التكيف ,لا بد من الإفراج عن الحرارة الكامنة للتبخير .
و كمية الحرارة هي نفسها التي استوعبت خلال التبخر لنفس السائل الذي يحمل نفس الضغط خلال التكثيف، لا بد من الافراج عن الحرارة الكامنة لتبخير. كمية الحرارة هي نفسها التي استوعبت خلال التبخر لنفس السائل عند ضغط ثابت .
هناك عدة أنواع للتكثف :
1- االتكثف المتجانس مثل الذي يحدث في الضباب
2- التكثف من خلال الإتصال المباشر مع السائل
3- التكثف من خلال الإتصال المباشر مع جدارتبريد مبدل للحرارة و هذا النوع هو الأكثر شيوعا في الصناعة.
هناك طريقتين للتكاثف على الاسطح : 1- طريقة يشكل التكاثف سائل على السطح 2- طريقة يشكل التكاثف قطرات على السطح و هذا التكثيف تكون عملية تجميع القطرات صعبة لذلك يتم تصميم معدات صناعية لتجميعها .
___________________________________________________________________________________________________________________________________
المعادلة الحرارية و العوازل
المعادلة الحرارية : وهي معادلة مهمة تصف توزيع الحرارة او التباين في درجة الحرارة في منطقة معينة على مر الزمن في بعض الحالات يجب أن تحل هذه المعادلة حسابيأ يجب وضع عوازل حرارية.
العوازل الحرارية هي مواد مصممة خصيصا للحد من تدفق للحرارة عن طريق الحد من التوصيل ، الحمل ، أو كليهما وهي تساعد على حفظ الأجسام الساخنة كما هي و كذلك الأجسام الباردة توضع بين الوسط الساخن والوسط البارد، وتتمتع هذه المواد بناقلية حرارية صغيرة جداً، فهي رديئة التوصيل الحراري، ويعود ذلك لاحتوائها على كمية كبيرة من الهواء والغازات في تركيبها قد تصل نسبتها إلى أكثر من 95% من حجمها
___________________________________________________________________________________________________________________________________
معامل إنتقال الحرارة Q=h*A*∆T
معامل انتقال الحرارة : تتم فيه التجارب التالية: 1- قياس معامل التوصيل الحرارى للمواد الصلبة (معادن موصلة جيدة لإنتقال الحرارة ومواد عازلة للحرارة 2- قياس درجات الحرارة للسطح وللمائع. 3- قياس معامل إنتقال الحرارة بالحمل (بين سطح ومائع(. 4- قياس معدل إنتقال الحرارة لكل وحدة مساحية (للأسطح ذات التدفق الحرارى الثابت
حيث: =Q تدفق الحرارة في الإدخال أو فقد تدفق الحرارة)جول/ثانية)=واط =h معامل انتقال الحرارة(واط/(م.ك)) =A مساحة السطح، م2 =K الفرق في درجات الحرارة بين سطح صلب والمنطقة المحيطة بها السائل،
من المعادلة أعلاه، فإن معامل الانتقال الحراري هو معامل التناسب بين التدفق الحراري، وهذا هو تدفق الحرارة في وحدة المساحة والقوة الدافعة الحرارية لتدفق الحرارة أي الفرق في درجة الحرارة في واط لكل متر مربع كلفن
هناك طرق عديدة لحساب معامل انتقال الحرارة في مختلف وسائط نقل الحرارة، السوائل المختلفة، ونظم التدفق، وتحت ظروف مختلفة thermohydraulic. كثيرا ما يمكن أن يقدر بقسمة الموصلية الحرارية من السائل الحراري بواسطة مقياس طول. ويحسب في كثير من الأحيان معامل انتقال الحرارة من رقم Nusselt . وهناك أيضا آلات حاسبة على شبكة الإنترنت خصيصا لتطبيقات سائل النقل الحراري
معادلة Nusselt :
(Nu = Convective heat transfer coefficient (h)/ conductive heat transfer coefficient (kf حيث: L = طول KF = الموصلية الحرارية للسوائل h= معامل انتقال الحرارة بالحمل ___________________________________________________________________________________________________________________________________
معامل الانتقال الحراري
معامل الانتقال الحراري الكلي هو مقياس للقدرة العامة لسلسلة من الحواجز الموصلة والحمل الحراري لنقل الحرارة. ويطبق عادة على حساب انتقال الحرارة في المبادلات الحرارية، ولكن يمكن تطبيقها بشكل جيد على قدم المساواة إلى غيرها من المشاكل.
لحالة المبادلات الحرارية، ويمكن استخدامها لتحديد انتقال الحرارة الكلي بين التيارين في المبادل الحراري بواسطةالعلاقة التالية:
Q= UA∆T حيث = معدل انتقال الحرارة (واط)q
= معامل الانتقال الحراري الكلي (واط / (م • ك))u = سطح منطقة الحرارة (م2)A = سجل يعني الفرق في درجة الحرارة (ك)T
ومعامل الانتقال الحراري الكلي يأخذ في الاعتبار نقل الحرارة الفردي,و معاملات كل تيار والمقاومة للمواد الأنابيب.يمكن أن تحسب على أنها متبادلة من مجموع سلسلة من المقاومات الحرارية (ولكن وجود العلاقات أكثر تعقيدا ، على سبيل المثال عندما نقل الحرارة يحدث بواسطة طرق مختلفة في نفس الوقت):
حيث R = المقاومة (ق) إلى تدفق الحرارة في جدار الأنابيب (واط/ك) معامل انتقال الحرارة هو نقل حرارة في وحدة المساحة لكل كلفن. وهكذا يتم تضمين منطقة في المعادلة لأنها تمثل المجال الذي يعمل على نقل الحرارة . والمناطق لكل تدفق تكون مختلفة لأنها تمثل منطقة التماس لكل جانب للسائل.
يتم حساب المقاومة الحرارية بسبب جدار الأنبوب من العلاقة التالية:
r= x/ (A*k) حيث x = سمك الجدار (م) k= الموصلية الحرارية للمادة (واط / (م • ك)) A = المساحة الكلية للمبادل حراري (م2) هذا ويمثل نقل الحرارة عن طريق التوصيل في الأنابيب. والتوصيل الحراري هو الصفة المميزة لهذه المادة خاصة.
وترد القيم من التوصيلات الحرارية لمختلف المواد في قائمة التوصيلات الحرارية. كما ذكرت سابقا في مقالة على نقل الحرارة معامل الحمل الحراري لكل تيار يعتمد على نوع من السوائل، وخصائص تدفق وخصائص درجة الحرارة. ___________________________________________________________________________________________________________________________________
المقاومة الحرارية
المقاومة الحرارية : تتم في المباني من خلال إضافة طبقة إلى الجدار تعمل على خفض ملحوظ في معامل الإنتقال الحراري الكلي و بالتالي بالأداء لهذا المبنى يمكن أن يحدث تلوث في المبنى بسبب معامل الغنتقال الحراي الكلي إذا كان بعيد عن الرقم المفروض تواجده