طريقة انتقال الحرارة

يمكن أن يحدث انتقال الحرارة بثلاث طرق مختلفة:

• التوصيل

• الحمل الحراري

• الإشعاع

في المواقف الفعلية، يحدث انتقال الحرارة بالطرق الثلاثة في آنٍ واحد ولكن بنسب متفاوتة.

في كل حالة، تتدفق الحرارة من الساخن إلى البارد: وهذا مبدأ أساسي في الديناميكا الحرارية حيث تتدفق الحرارة بشكل طبيعي من منطقة ذات درجة حرارة أعلى إلى منطقة ذات درجة حرارة أقل. 

التوصيل

التوصيل هو انتقال الحرارة عبر مادة صلبة. ويحدث عندما تهتز جزيئات مادة وتنقل الطاقة إلى الجزيئات المجاورة. تعد هذه العملية مهمة في العديد من التطبيقات الصناعية حيث تحتاج المواد إلى توصيل الحرارة بكفاءة.

مثال على التوصيل: لمس ذراع معدني سُخِّن من أحد طرفيه. تنتقل الحرارة عبر الذراع إلى يدك.

الحمل الحراري

الحمل الحراري هو انتقال الحرارة عن طريق حركة الموائع (السوائل أو الغازات). وهذا النوع من انتقال الحرارة ضروري في الأنظمة التي تتطلب حركة المائع لتوزيع الحرارة بالتساوي.

مثال على الحمل الحراري: الماء المغلي. تتسبب الحرارة المنبعثة من الموقد في أن يصبح الماء في القاع أقل كثافة ويرتفع، بينما يهبط الماء البارد.

الإشعاع

الإشعاع هو انتقال الحرارة عبر الموجات الكهرومغناطيسية. وعلى عكس التوصيل والحمل الحراري، لا يحتاج الإشعاع إلى وسيط ويمكن أن يحدث عبر الفراغ.

مثال على الإشعاع: الحرارة المنبعثة من الشمس التي تدفئ وجهك أو تحميص حلوى الخطمي على النار. تنتقل طاقة الشمس عبر فراغ الفضاء وتدفئ الأجسام على الأرض.

الموصلية الحرارية هي مقياس لقدرة المادة على توصيل الحرارة. والمعادلة هي:

Q = λ * A * t * (Δ T / Δ x)

حيث إن:

• Q هي الحرارة المنقولة (بالجول)،
• λ هو معامل الموصلية الحرارية (بالوات/متر*كلفن)،
• A هي مساحة التدفق الحراري (بالمتر المربع)،
• t هو الزمن (بالثانية)،
• ΔT هو فرق درجة الحرارة (بالكلفن)،
• Δx هي المسافة (بالمتر).

معادلة انتقال الحرارة بالحمل الحراري هي:

Q = - h * A * t * Δ T

حيث إن:

• Q هي الحرارة المنقولة (بالجول)،
• h معامل انتقال الحرارة بالحمل الحراري (بالوات/متر مربع*كلفن)،
• A هي مساحة السطح (بالمتر المربع)،
• t هو الزمن (بالثانية)،
• ΔT هو فرق درجة الحرارة بين السطح والمائع (بالكلفن).

تشير الإشارة السالبة إلى أن انتقال الحرارة يحدث من درجة حرارة أعلى إلى درجة حرارة أقل.

معادلة انتقال الحرارة بالحمل الحراري هي:

Q = - k * A * t * Δ T

حيث إن:

• Q هي الحرارة الكلية المنقولة (بالجول)،
• k معامل انتقال الحرارة (بالوات/متر مربع*كلفن)،
• A هي المساحة (بالمتر المربع)،
• t هو الزمن (بالثانية)،
• ΔT هو فرق درجة الحرارة (بارد-ساخن) (بالكلفن).

معادلة المتوسط اللوغاريتمي لفرق درجة الحرارة (LMTD) هي:

Өₘ = Ө₁ - Ө₂ / ln ( Ө₁ / Ө₂ )

حيث إن:

• Өₘ هو المتوسط اللوغاريتمي لفرق درجة الحرارة (بالكلفن)،
• Ө₁ هو فرق درجة الحرارة بين المائعين عند أحد طرفي المبادل الحراري (⁀1)،
• Ө₂ هو فرق درجة الحرارة بين المائعين عند طرف المبادل الحراري الآخر ‏(⁀2)،
• ln تشير إلى اللوغاريتم الطبيعي.