طريقة انتقال الحرارة
يُعد انتقال الحرارة مفهومًا أساسيًا في الديناميكا الحرارية، وهو ضروري لفهم العمليات الصناعية المختلفة، بما في ذلك أنظمة الهواء المضغوط.
استكمالاً لمقدمتنا عن الديناميكا الحرارية، يكتشف هذا المقال الأنواع الثلاثة الرئيسية لانتقال الحرارة: التوصيل والحمل الحراري والإشعاع، وأهميتها في التطبيقات المختلفة.
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.
3 أنواع لانتقال الحرارة
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.
معادلات الموصلية الحرارية وانتقال الحرارة
معادلة الموصلية الحرارية
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 للحمل الحراري
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 بالإشعاع
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).
المتوسط اللوغاريتمي لفرق درجة الحرارة (LTMD) في المبادلات الحرارية
يمثل انتقال الحرارة في مبادل حراري عند كل نقطة دالة للفرق السائد في درجة الحرارة ومعامل انتقال الحرارة الكلي. ويتطلب استخدام المتوسط اللوغاريتمي لفرق درجة الحرارة Өm بدلاً من الحساب الخطي ΔT.
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.
تطبيقات انتقال الحرارة واسترداد الحرارة
يُعد انتقال الحرارة واسترداد الحرارة من العمليات المهمة للغاية في مختلف الصناعات، بما في ذلك التصنيع والسيارات والطاقة. وفي حين أن انتقال الحرارة ينطوي على حركة الحرارة من مكان إلى آخر، فإن استرداد الحرارة يركز على جمع الحرارة المهدرة وإعادة استخدامها.
التصنيع
في التصنيع، يُعد انتقال الحرارة بكفاءة أمرًا ضروريًا في تشكيل المعادن وصب البلاستيك وإنتاج المواد الكيميائية. وتضمن الإدارة الحرارية السليمة جودة المنتج وتقلل من استهلاك الطاقة. من ناحية أخرى، تجمع أنظمة استرداد الحرارةِ الحرارةَ المهدرة من هذه العمليات وتعيد استخدامها في مكان آخر في المنشأة، مثل التسخين المسبق للمواد الخام أو تدفئة المساحات.
السيارات
في صناعة السيارات، يُعد انتقال الحرارة أمرًا بالغ الأهمية لتبريد المحرك والتحكم في المناخ وإدارة بطاريات السيارات الكهربائية. وتعمل الأنظمة الحرارية الفعالة على تحسين أداء المركبات وإطالة عمرها من خلال نقل الحرارة بكفاءة بعيدًا عن المكونات الحيوية. وفي الوقت نفسه، يمكن لأنظمة استرداد الحرارة أن تجمع الحرارة الناتجة عن المحركات وأنظمة العادم لتحسين كفاءة استهلاك الوقود أو تشغيل أنظمة إضافية في المركبات.
الطاقة
في قطاع الطاقة، يُعد انتقال الحرارة أمرًا أساسيًا لتوليد الطاقة، سواء من خلال الوقود الأحفوري التقليدي أو مصادر الطاقة المتجددة مثل الطاقة الشمسية وطاقة الرياح. تعمل أنظمة التبادل الحراري الفعالة على زيادة إنتاج الطاقة وتقليل الهدر. ومن ناحية أخرى، ينطوي استرداد الحرارة على جمع الحرارة المهدرة من عمليات توليد الطاقة واستخدامها لأغراض أخرى، مثل تدفئة المناطق أو توليد طاقة إضافية من خلال أنظمة الحرارة والطاقة المشتركة (CHP).
حلول الهواء والغاز المقدّمة للشركات المُصنِّعة لشواحن السيارات الكهربائية (EV)
![قابس شاحن سيارة كهربائية مع شاشة عرض رقمية]()
حلول الهواء والغاز المقدّمة للشركات المُصنِّعة لشواحن السيارات الكهربائية (EV)
انتقال الحرارة في أنظمة الهواء المضغوط
توليد الحرارة في أثناء الضغط
في أثناء عملية الضغط، يزداد ضغط الهواء ودرجة الحرارة بسبب العمل المبذول على الهواء. يجب إدارة هذه الحرارة للحفاظ على كفاءة النظام ومنع التلف.
أهمية تبريد الهواء المضغوط
يمكن أن تؤدي الحرارة غير المتحكم فيها في أنظمة الهواء المضغوط إلى تلف المعدات وانخفاض الكفاءة وتكثيف الرطوبة. تبريد الهواء المضغوط أمر بالغ الأهمية لمنع هذه المشكلات.
استخدام الحرارة للمعدات الإضافية
يمكن الاستفادة من الحرارة المولدة في أنظمة الهواء المضغوط في المعدات الإضافية مثل المجففات وخزانات التجفيف، ما يعزز كفاءة النظام بشكل عام.
استرداد الحرارة
يتضمن استرداد الحرارة جمع الحرارة المهدرة المولدة في أثناء الضغط وإعادة استخدامها. تقلل هذه العملية من استهلاك الطاقة، وتقلل من تكاليف التشغيل، وتعزز الاستدامة من خلال تقليل الطاقة المهدرة إلى أقصى حد.
مزايا استرداد الحرارة:
انخفاض استهلاك الطاقة: استخدام الحرارة المهدرة يقلل من الاعتماد على مصادر التدفئة الخارجية.
انخفاض تكاليف التشغيل: تؤدي وفورات الطاقة إلى نفقات تشغيلية أقل.
في هذا الفيديو، نستكشف عملية استرداد حرارة الضاغط. هل تعلم أن جزءًا كبيرًا من الطاقة الكهربائية التي تستهلكها الضواغط وتتحول إلى حرارة غالبًا ما تهدر؟
بفضل أنظمة استرداد الطاقة، يمكننا إعادة استخدام هذه الحرارة الزائدة في التدفئة أو التجفيف أو توليد الماء الساخن لمهام مثل الاستحمام والعمليات الصناعية مثل تنظيف الزجاجات وتقسية الشوكولاتة.
هل تريد معرفة المزيد عن استرداد الطاقة لشركتك؟ إن فهم الأنواع المختلفة لانتقال الحرارة أمر بالغ الأهمية لمختلف التطبيقات الصناعية، بما في ذلك أنظمة الهواء المضغوط. من خلال إدارة الحرارة واستخدامها بفعالية، يمكن للصناعات تحسين الكفاءة وتقليل التكاليف. تعرف على المزيد في كتابنا الإلكتروني.
للمزيد من المعلومات حول استرداد الحرارة وغيرها من الحلول الموفرة للطاقة، تفضل بزيارة صفحة استرداد الحرارة لدينا.
الأسئلة الشائعة وأمثلة على انتقال الحرارة في الحياة اليومية
ما الأنواع الثلاثة لانتقال الحرارة؟
الأنواع الثلاثة لانتقال الحرارة هي التوصيل والحمل الحراري والإشعاع. التوصيل الحراري هو انتقال الحرارة من خلال التلامس المباشر بين المواد، كما يحدث عندما يسخن ذراع معدني على امتداد طوله.
لماذا تتدفق الحرارة من الساخن إلى البارد؟
إن التدفق الحراري من الساخن إلى البارد مدفوعًا بالقانون الثاني للديناميكا الحرارية الذي ينص على أن الإنتروبيا، أو الاضطراب، يميل إلى الزيادة في نظام معزول.
كيف تنتقل الحرارة عن طريق التوصيل؟
تنتقل الحرارة عن طريق التوصيل من خلال الاتصال المباشر بين الجزيئات في مادة صلبة.
كيف تنتقل الحرارة عن طريق الحمل الحراري؟
تنتقل الحرارة عن طريق الحمل الحراري من خلال حركة الموائع، ما يوزع الحرارة بالتساوي.
كيف تنتقل الحرارة عن طريق الإشعاع؟
تنتقل الحرارة عن طريق الإشعاع من خلال الموجات الكهرومغناطيسية، من دون الحاجة إلى وسيط.
ما أحد الأمثلة على انتقال الحرارة بالتوصيل؟
مثال على التوصيل هو ملعقة معدنية تسخن من مقبضها إلى طرفها عند وضعها في سائل ساخن.
ما أحد الأمثلة على انتقال الحرارة بالحمل الحراري؟
مثال على الحمل الحراري هو دوران الهواء الدافئ في غرفة دافئة.
ما بعض الأمثلة على انتقال الحرارة بالإشعاع؟
من أمثلة الإشعاع الدفء المنبعث من مدفأة والحرارة الصادرة من الشمس.
أي نوع من انتقال الحرارة يحدث عند غليان الماء؟
غليان الماء عملية تحدث بفعل الحمل الحراري، حيث تؤدي الحرارة إلى دوران الماء وانتقال الحرارة.
أي نوع من انتقال الحرارة يمكن أن يحدث عبر الفراغ؟
يمكن أن ينتشر الإشعاع عبر الفراغ، لأنه لا يحتاج إلى وسيط.
أي نوع من انتقال الحرارة تُحدثه الشمس؟
تنقل الشمس الحرارة إلى الأرض من خلال الإشعاع.
أي نوع من انتقال الحرارة تستخدمه المجففات؟
تستخدم المجففات عادة الحمل الحراري لنقل الحرارة وتجفيف المواد.
أي نوع من انتقال الحرارة يستخدمه الميكروويف؟
يستخدم الميكروويف الإشعاع لنقل الحرارة وطهي الطعام.
ما التفاعلات الكيميائية التي تحدث عند تحميص حلوى الخطمي؟
عند تحميص حلوى المارشيملو، فإن انتقال الحرارة من خلال الإشعاع يسبب تغيرًا كيميائيًا. يتعرض السكر لتفاعلات الكرملة وتفاعلات ميلارد، ما يؤدي إلى إنتاج جزيئات الماء التي تتبخر وتترك الكربون خلفها وينتج طبقة خارجية مقرمشة سوداء. ويمنح هذا المزيج من التفاعلات الكيميائية حلوى الخطمي المحمصة نكهتها وقوامها المميز.