انتقال حرارت ۲ – مفاهیم پایه به زبان ساده + منابع، کتاب و فیلم آموزشی

گرما چیست؟

در ابتدا باید گرما را معرفی کنیم. به صورت کلی باید گفت گرما شکلی از انرژی است که می‌تواند به دلیل اختلاف یا گرادیان دما از یک سیستم به سیستم دیگر منتقل شود. علمی که با انتقال چنین انرژی سر و کار دارد به عنوان دانش انتقال حرارت شناخته می‌شود.

1. هدایت گرمایی
2. همرفت
3. تابش

مکانیسم‌های فیزیکی برای حالت‌های مختلف انتقال حرارت 2

در ادامه هر یک از مکانیسم‌های انتقال حرارت را با جزئیات بررسی می‌کنیم.

فیلم آموزش انتقال حرارت ۱ در فرادرس

کلیک کنید

هدایت گرمایی چیست؟

هدایت گرمایی یا conduction عبارت از انتقال انرژی حرارتی از انرژی زیاد به ذرات کم انرژی یک محیط ثابت (جامدات، مایعات یا گازها) در اثر برهم کنش بین ذرات است. در جامدات، رسانش یا هدایت گرمایی ممکن است به فعالیت اتمی در قالب ارتعاشات شبکه و انتقال انرژی توسط الکترون‌های آزاد نسبت داده شود. در سیالات، رسانش به دلیل برخورد و انتشار مولکول‌ها در حین حرکت تصادفی آن‌ها رخ می‌دهد. هدایت گرمایی یا رسانش یک شکل میکروسکوپی از انتقال حرارت است.

معادله اصلی برای توضیح و تعریف هدایت گرمایی قانون فوریه است. این قانون بیان می‌کند که شار گرما (نرخ انتقال حرارت در هر واحد سطح) به صورت مستقیم با گرادیان میدان متناسب است و داریم:

$$\large q\ \infty\ d T / dx \text { or } \\ q\ =-k\ d T /d x$$

که در رابطه بالا $$k$$ ضریب هدایت گرمایی است و واحد آن $$\frac{W}{m.K}$$ است. همچنین $$\frac{dT}{dx}$$ گرادیان دما و $$q$$ شار گرما و واحد آن برابر با $$\frac{W}{sq.m}$$ است. در نتیجه مقدار گرمای منتقل شده با رابطه زیر به دست می‌آید و داریم:

$$\large Q=-kA\frac{dT}{dx}$$

برای رابطه فوریه بالا به صورت پیش فرض نکاتی را در نظر گرفته‌ایم که به صورت زیر هستند:

• هدایت گرمایی در حالت ثابت رخ می‎‌دهد، یعنی دما با زمان تغییر نمی‌کند.
• جریان حرارت در یک جهت رخ می‌دهد.
• گرادیان و پروفایل خطی دما ثابت هستند.
• در این حالت گرمای داخلی تولید نمی‌شود.
• سطوح محصور در نظر گرفته شده از نظر دمایی، هم دما هستند.
• مواد در نظر گرفته ایزوتروپیک و همگن هستند.

ضریب هدایت گرمایی چیست و چه ویژگی‌هایی دارد؟

این ضریب در حقیقت اندازه گیری توانایی یک ماده در هدایت گرمایی را نشان می‌دهد و یکی از پارامترهای انتقال حرارت در مواد است. همان طور که گفتیم واحد آن $$\frac{W}{m.K}$$ یا $$\frac{W}{m.C}$$ است. این کمیت برای جامدات و مایعات به صورت $$k=f(T)$$ و برای گازها و بخار $$k=f(p,T)$$ تعریف می‌شود.

همان طور که می‌دانید فلزات بهترین نوع رسانا هستند. اما آلیاژ فلزات باعث کاهش $$k$$ می‌شود. از دیگر ویژگی‌های $$k$$ این است که با افزایش دما در اکثر فلزات به جز آلومینیوم و اورانیوم کاهش می‌یابد. مقدار $$k$$ در آلومینیوم در دمای بین $$-130$$ تا $$370$$ درجه سانتی گراد ثابت است و در اورانیوم با افزایش دما مقدار $$k$$ افزایش می‌یابد. همچنین از دیگر مواردی که در مورد $$k$$ می‌توان گفت این است که مقدار این کمیت در گازهای با وزن مولکولی بالا کوچک است. به علاوه موادی که دارای ساختار بلوری هستند دارای $$k$$ بزرگتری نسبت به اجسام بی شکل هستند. رابطه ثابت رسانش برای اکثر مواد به صورت $$k=k_0(1+\beta t)$$ که $$k_0$$ ثابت هدایت حرارتی در صفر درجه سانتی گراد و $$\beta$$ یک مقدار ثابت است.

همرفت چیست؟

همرفت یا Convection به انتقال انرژی حرارتی بین سطح جامد و سیال متحرک در سطوح دمایی متفاوت اشاره دارد. این فرآیند شامل اثر ترکیبی هدایت گرمایی و حرکت سیال است. در این فرآیند انتقال حرارت از سطح جامد به لایه سیالی است که با رسانش با آن در تماس است و بعد از آن حرارت با حرکت مولکولی تصادفی به لایه‌های مجاور منتقل می‌شود.

با توجه به برهمکنش سیال و سطح یک لایه مرزی هیدرودینامیکی با سرعت صفر در دیوار و و یک لایه با سرعت محدود در مرز ایجاد می‌شود. از آنجا که دمای جریان آزاد سیال و دمای دیوار متفاوت است، یک لایه مرزی نیز به وجود می‌آید. انتقال انرژی حرارتی با فرآیند همرفت به دو صورت زیر طبقه بندی می شود:

• همرفت طبیعی (Natural Convection)
• همرفت غیرطبیعی (Forced Convection)

همرفت غیرطبیعی شامل انتقال انرژی حرارتی در مواقعی است که جریان ناشی از وسایل خارجی مانند فن، پمپ یا بادهای جوی است. از سمت دیگر همرفت طبیعی توسط نیروهای شناوری به دلیل تغییرات چگالی در نتیجه اختلاف دما ایجاد می‌شود. همرفت انرژی حرارتی توسط تبادل گرمای نهان نیز وجود دارد. این گرمای نهان ناشی از تغییر فاز از مایع به بخار یا برعکس است. جوشاندن و چگالش نمونه‌هایی از فرآیند همرفت توسط گرمای نهان هستند.

معادله اساسی برای انتقال گرما از طریق همرفت به عنوان معادله سرمایش قانون نیوتن شناخته می‌شود و به صورت زیر نوشته می‌شود:

$$\large Q=hA(T_s-T_{\infty})$$

که در این معادله $$T_s$$ دمای سطح، $$T_{\infty}$$ دمای سیال، A مساحت سطح جامد و $$h$$ ضریب انتقال گرمایی از طریق همرفت است و واحد آن $$\frac{W}{sq.m}$$ است. $$h$$ را ضریب انتقال گرمای فیلم یا رسانش سطح نیز می‌نامند.

ضریب انتقال همرفت چیست و چه ویژگی‌هایی دارد؟

ضریب انتقال همرفت یا $$h$$ به موارد زیر بستگی دارد:

• وضعیت سطح: زبری و تمیزی
• هندسه و جهت گیری سطح: صفحه، استوانه یا کره و قرار گرفتن به صورت عمودی یا به صورت افقی
• خواص ترموفیزیکی سیال: چگالی، ویسکوزیته، گرمای ویژه، رسانش گرمایی و غیره
• ماهیت جریان سیال: آرام یا مواج
• پیکربندی لایه مرزی
• دمای عمومی متداول

تابش چیست؟

• تبدیل انرژی حرارتی منبع گرم به امواج الکترومغناطیسی: در این مرحله فوتون‌ها به صورت تابش در فضا منتشر می‌شوند.
• عبور حرکت موج از طریق فضاهای مختلف: فوتون‌ها با فرکانس ثابت بدون تغییر به طور مستقیم بر روی مسیرهایی با سرعتی برابر با سرعت نور حرکت می‌کنند.
• تبدیل امواج به گرما: تبدیل مجدد حرکت موج به انرژی در سطح گیرنده اتفاق می‌افتد که ممکن است تا حدی جذب، منعکس یا از طریق آن منتقل شود.

معادله اصلی و پایه برای توضیح انتقال حرارت از طریق تابش با معادله زیر تعریف می‌شود و داریم:

$$\large E_b=\sigma_bAT^4$$

در این معادله $$E_b$$ مقدار انرژی است که از هر واحد سطح در زمان تابش می‌شود، $$T$$ دمای مطلق سطح و $$\sigma_b$$ ثابت استفان-بولتزمن است. مقدار این ثابت برابر با $$\large \sigma_b=5.67\times10^{-8}\ \frac{W}{m^2 K^4}$$ است.

درس انتقال حرارت 2 چیست؟

در رشته مکانیک و گرایش سیالات این درس سه واحدی در مقطع لیسانس ارائه می‌شود. پیش نیاز این درس همان طور که از نام آن مشخص است انتقال حرارت 1 و آزمایشگاه انتقال حرارت است. همچنین این درس برای دانشجویان رشته مهندسی شیمی نیز ارائه می‌شود.

فیلم آموزش انتقال‌ حرارت در فرادرس

کلیک کنید

سرفصل‌های درس انتقال حرارت 2 چیست؟

از سرفصل‌های درس انتقال حرارت 2 می‌توان به صورت خلاصه مباحثی را عنوان کرد. به صورت کلی انواع جابجایی را می‌توان به دو دسته طبیعی یا غیرطبیعی (اجباری) تقسیم بندی کرد. منظور از جابجایی نوعی انتقال حرارت است که بین یک جسم جامد و یک سیال رخ می‌دهد. همچنین در تعریف جابجایی مفهوم لایه مرزی نیز نهفته است که منظور ناحیه‌ای از سیال است که با آن ناحیه برخورد کرده و اثرات ویسکوزیته در آن مشهود است. در درس انتقال حرارت 2 ابتدا جریان آزاد، جریان اجباری از روی اجسام و جریان اجباری از داخل اجسام بررسی می‌شوند. همچنین در ادامه این درس انواع لایه‌های مرزی شامل لایه مرزی حرارتی و هیدرودینامیکی معرفی می‌شوند.

بدین ترتیب معادلات مربوط به جریان آرام از روی صفحات مرزی و صفحه از دو روش انتگرالی و تحلیلی به دست می‌آیند. این فرآیند برای معادلات مربوط به جریان مشوش از روی صفحه مسطح نیز تکرار می‌شود. این بررسی‌ها معادلات جریان از داخل لوله‌ها را نیز پوشش می‌دهند. سپس روابط تجربی و کاربردهای آن‌ها، جوشش و تقطیر و پارامترهای بدون بُعد در جوشش و تقطیر، منحنی جوشش و جوشش استخری در درس انتقال حرارت 2 بررسی می‌شوند. در ادامه درس انتقال حرارت 2، انتقال حرارت در مخازن همزده، در جریان متعامد روی سطوح، انتقال حرارت همراه با تغییر فاز، جوش و تبخیر و میعان فیلمی، انتقال حرارت تشعشعی، اجسام خاکستری و سیاه، روابط انتقال حرارت به صورت تشعشعی و ترکیب انتقال حرارت هدایتی آموزش داده می‌شوند.

همچنین درباره تشابه بین انتقال حرارت و انتقال جرم، قانون پخش فیک، انتقال جرم به روش نفوذی و اجباری، معادله بقای جرم و تشریح تشابه رینولدز برای انتقال حرارت و جرم نیز در این درس صحبت می‌شود.

منابع برتر برای انتقال حرارت 2

در این بخش لیست چندین کتاب برتر مرجع در زمینه هدایت و تابش انتقال حرارت را گردآوری کرده‌ایم. این کتاب‌ها توسط دانشجویان دانشگاه‌ها، موسسات برتر استفاده می‌شوند. در اینجا لیست کامل چندین کتاب برتر در زمینه هدایت و انتقال حرارت به همراه بررسی و توضیحات مربوط به هر کتاب آمده است. تلاش زیادی برای تحقیق در مورد بهترین کتاب‌ها در زمینه هدایت و انتقال حرارت تابشی انجام شده و لیست توصیه شده شامل 10 کتاب برتر است که شامل نام بهترین کتا‌ب‌ها، نویسندگان، ناشران آنها است. همچنین پیوندهایی به وب سایت آمازون برای خرید مستقیم و توضیحات در مورد این کتاب‌ها داده شده است.

انتقال حرارت: اصول و تمرین توسط توماس وتزل و پیتر بوخ

انتقال حرارت توسط کانی راج

انتقال حرارت (سری McGraw-Hill در مهندسی مکانیک) توسط جک پی هولمن

هندی بوک داده‌های مهندسی حرارت توسط B Sreenivasa Reddy

انتقال حرارت و جرم توسط راجندرا کاروا

این کتاب درمان کلاسیک مشکلات انتقال گرما را به صورت جامع با تأکید بر درک فیزیکی مسائل ارائه می‌دهد. این تأکید به ویژه در فصل‌های انتقال حرارت توسط رسانش قابل مشاهده است. در این کتاب بر حل مسائل هدایت حرارتی دو بعدی ثابت و ناپایدار تأکید می‌شود. یکی دیگر از ویژگی‌های ویژه کتاب، فصل معرفی طراحی مبدل‌های حرارتی و مشکلات طراحی آن‌ها است.

طرح کلی انتقال حرارت Schaum ، چاپ دوم (مهندسی Schaums) توسط دونالد پیتس و Leighton E Sissom

فناوری پخت بیسکویت: راهنمای پردازش و مهندسی توسط آیین دیویدسون

این کتاب به عنوان یک کتاب مرجع برای مدیران ارشد و کارکنان درگیر در پخت بیسکویت در مقیاس صنعتی عمل می‌کند. این کتاب، فرآیند صنعت بیسکویت، مواد تشکیل دهنده، فرمولاسیون علاوه بر طراحی، ساخت، نصب، راه اندازی و نگهداری کوره‌های پخت را پوشش می‌دهد. این کتاب یک مرور کلی در فصل‌های 1 تا 3 در مورد جزئیات فرایندهای اصلی بیسکویت، محدوده محصول، مواد تشکیل دهنده و تغییرات فرآیند در طول پخت را ارائه می‌دهد. همه فصل‌ها سازماندهی و به روز شده‌اند.

مهندسی انتقال حرارت توسط Donatello Annaratone

انتقال حرارت تحلیلی توسط Je-Chin Han

معرفی فیلم‌های آموزش حرارت و سیالات (Heat and Fluid) فرادرس

منابع آموزشی حرارت و سیالات (Heat and Fluid) بسیار فراوان هستند اما بسیاری از منابع به زبان انگلیسی بوده و خرید آن‌ها به صورت مستقیم دشوار است. همچنین جزوات دانشگاهی که به صورت دست نویس توسط دانشجویان دانشگاه‌های مختلف در وبسایت‌ها بارگذاری می‌شود معمولاً ناقص است و به راحتی قابل خواندن نیست. به این دلایل فرادرس مجموعه دوره‌های آموزش حرارت و سیالات (Heat and Fluid) را برای کاربران با کاربردهای مختلف ضبط و آماده کرده است. این آموزش‌ها را به صورت فهرست وار در ادامه معرفی می‌کنیم و برخی از آن‌ها را به صورت جزئی‌تر برای شما توضیح می‌دهیم. مجموعه آموزش حرارت و سیالات (Heat and Fluid) فرادرس شامل موارد زیر هستند:

• آموزش مکانیک سیالات (مرور و حل تست کنکور ارشد)
• آموزش ترمودینامیک ۲
• آموزش انتقال حرارت
• آموزش ترمودینامیک ۱
• آموزش مقدماتی مکانیک سیالات ۲
• آموزش شبیه سازی و تحلیل انرژی در ساختمان با DesignBuilder
• آموزش انتقال حرارت (حل تست های کنکور ارشد و دکتری)
• آموزش جریان لزج (ویسکوز)
• آموزش نرم افزار ترنسیس (TRNSYS 16) برای تحلیل سیستم های انرژی - مقدماتی
• آموزش ترمودینامیک ۲ (مرور و حل مساله)
• آموزش شبیه سازی برخورد در نرم افزار انسیس (ANSYS) با ماژول Explicit Dynamics
• آموزش آشنایی با سیستم های تهویه مطبوع سرمایشی و گرمایشی (چیلرهای توربوکر و دیگ های چگالشی)
• آموزش پروژه محور انسیس فلوئنت (ANSYS Fluent) - مدل سازی باتری
• آموزش اصول طراحی، نصب و سرویس سیستم های تهویه مطبوع حجم متغیر VRF
• آموزش هدایت حرارتی پیشرفته

معرفی فیلم آموزش انتقال حرارت

مجموعه فرادرس در تولید و تهیه محتوای آموزشی خود اقدام به تهیه فیلم آموزش انتقال حرارت کرده است. این مجموعه آموزشی از یازده درس تشکیل شده و برای دانشجویان رشته‌های مهندسی مکانیک، مهندسی شیمی، مهندسی هسته‌ای و مهندسی پلیمر مفید است. پیش نیاز این مجموعه آموزش ترمودینامیک و مکانیک سیالات است.

درس اول این مجموعه به معرفی کلی انواع مکانیزم‌های انتقال حرارت می‌پردازد و درس دوم انتقال حرارت تشعشعی و تعریف مفاهیم اصلی را آموزش می‌دهد. درس سوم به انتقال حرارت تشعشعی نمودار پلانک و نکات آن و درس چهارم به شار تابشی و ضرایب مربوط به انتقال حرارت تشعشعی اختصاص دارد. در درس پنجم انتقال حرارت تشعشعی محاسبه تبادل حرارتی را خواهید آموخت و در درس ششم این مجموعه با انتقال حرارت تشعشعی مفهوم مقاومت حرارتی آشنا خواهید شد.

درس هفتم و هشتم این مجموعه به ترتیب به آموزش مفاهیم انتقال حرارت هدایتی مفاهیم اصلی و معادله انرژی و انتقال حرارت هدایتی CFD و کنترل انتقال حرارت به وسیله فین اختصاص دارد. در درس نهم انتقال حرارت هدایتی مسائل ناپایا و وابسته به زمان بررسی می‌شود و در درس دهم انتقال حرارت جا به جایی مفاهیم اصلی و معادلات مربوط به آن آموزش داده می‌شود. در نهایت درس یازدهم و آخر این مجموعه به انتقال حرارت جا به جایی انواع جریان‌ها و به دست آوردن ضریب انتقال حرارت اختصاص دارد.

• برای دیدن فیلم آموزش انتقال حرارت +‌ اینجا کلیک کنید.

معرفی فیلم آموزش ترمودینامیک ۱

درس اول این مجموعه به توضیحات مقدماتی در مورد نیروگاه‌های ساده بخاری، پیل سوختی، سیکل‌های تبرید و موتور موشکی شیمیایی و درس دوم به معرفی مفاهیم و تعاریف اولیه مانند آحاد ترمودینامیکی، انرژی، قانون صفرم ترمودینامیک و مقیاس‌های دما می‌پردازد. درس سوم به خواص ماده خالص و رفتار گازهای ایده آل و غیرایده آل و درس چهارم به شناخت کار و گرما اختصاص دارد. در درس پنجم و ششم به ترتیب قانون اول ترمودینامیک و تحلیل قانون اول ترمودینامیک برای حجم کنترل را خواهید آموخت و در درس هفتم مفاهیم مربوط به قانون دوم ترمودینامیک بررسی می‌شود. درس هشتم این مجموعه به آموزش آنتروپی می‌پردازد و در نهایت درس نهم به تحلیل قانون دوم ترمودینامیک در حجم کنترل اختصاص دارد.

• برای دیدن فیلم آموزش ترمودینامیک ۱ +‌ اینجا کلیک کنید.

معرفی فیلم آموزش انتقال حرارت (حل تست های کنکور ارشد و دکتری)

درس اول این مجموعه به حل سوالات ارشد سال 90 تا 94 در مبحث انتقال حرارت هدایتی اختصاص دارد. درس دوم شامل بررسی سوالات 90 تا 94 در موضوع پره‌ها و حرارت گذرا است. درس سوم به بررسی سوالات 90 تا 94 انتقال حرارت جابجایی می‌پردازد و درس چهارم به سوالات 90 تا 94 در مبحث جابجایی آزاد، جوشش اختصاص دارد. در درس پنجم در مورد مبدل‌های حرارتی در سوالات کارشناسی ارشد 90 تا 94 خواهید آموخت و در درس ششم مبحث تششع در سوالات ارشد بررسی می‌شود. درس هفتم به سوالات کارشناسی ارشد سال 95 اختصاص دارد و در نهایت در بخش هشتم و آخر این مجموعه سوالات کنکور دکتری بررسی خواهد شد.

• برای دیدن فیلم آموزش انتقال حرارت (حل تست های کنکور ارشد و دکتری) + اینجا کلیک کنید.

معرفی فیلم آموزش هدایت حرارتی پیشرفته

درس اول این مجموعه به آشنایی با مبانی انتقال حرارت می‌پردازد و درس دوم نحوه فرمول بندی مسائل را معرفی می‌کند که شامل مثال‌هایی برای روش دیفرانسیلی نیز است. درس سوم به حل مسائل یک بعدی پایدار اختصاص دارد که شامل حل این مسائل در مختصات کارتزین، کروی و استوانه‌ای است و همچنین تئوری سطح گسترش یافته یا فین را نیز بررسی می‌کند. همچنین درس چهارم این مجموعه به حل مسائل پایدار دو بعدی می‌پردازد. در نهایت، درس پنجم و آخر این مجموعه به حل مسائل ناپایدار اختصاص دارد که تئوری Lump، حل مثال برای تئوری Lump، روش حل تحلیلی و حل مثال برای روش تحلیلی را شامل می‌شود.

• برای دیدن فیلم آموزش هدایت حرارتی پیشرفته +‌ اینجا کلیک کنید.

معرفی فیلم آموزش مقدماتی مکانیک سیالات ۲

درس اول و دوم این مجموعه در دو بخش جریان‌‌های لایه مرزی را آموزش می‌دهد. درس سوم و چهارم نیز در دو بخش به توربوماشین‌ها اختصاص دارد. در درس پنجم و ششم جریان‌های تراکم ‌پذیر آموزش داده می‌شود و درس هفتم جریان در بسترهای پرشده پوشش داده می‌شود. در نهایت، درس هفتم و آخر این مجموعه به آشنایی با جریان سیال در مخزن اختصاص دارد که شامل انواع سیالات موجود در مخزن، انواع رژیم‌های جریان مخزن، انواع هندسه و حالت‌های جریان مخزن و تعدد سیالات در مخزن است.

• برای دیدن فیلم آموزش مقدماتی مکانیک سیالات ۲ +‌ اینجا کلیک کنید.

جمع‌بندی

در این نوشتار انتقال حرارت و خصوصاً مبحث انتقال حرارت 2 را معرفی و بررسی کردیم. بدین منظور در ابتدا کلیات اصلی انتقال حرارت را بیان کردیم و سپس به بررسی و معرفی منابع مختلف خواندنی و ویدیویی پرداختیم.