روش های انتقال گرما – به زبان ساده

انتقال گرما به روش هدایت

توصیف ذره‌ای هدایت گرمایی

از آنجا که در اجسام جامد حرکت ذرات محدود است، هدایت گرمایی بهترین روش انتقال حرارت در خود جسم و یا بین دو جسم جامد از طریق تماس حرارتی است. هدایت گرمایی در این اجسام به دلیل فضای شبکه‌ای و ارتباط نزدیک‌تر و ثابت اتم‌ها، بیشتر است، در حالی ‌که بین گازها و سیالات، هدایت حرارتی به دلیل فاصله زیاد بین اتم‌ها پایین‌تر است. بنابراین، برخورد کمتر بین ذرات به معنای هدایت حرارتی پایین‌تر است.

مولکول‌های موجود در دو جسم با دماهای متفاوت، میانگین انرژی جنبشی متفاوتی دارند. با برخورد مولکول‌ها به یکدیگر در سطح تماس، انرژی از ناحیه‌ای با دمای بیشتر به ناحیه‌ای با دمای کمتر منتقل می‌شود. در تصویر بالا مشاهده می‌کنید که انرژی (سرعت) مولکولی که در محدوده سردتر قرار دارد، بعد از برخورد با سطح تماس، افزایش می‌یابد. بنابراین می‌توان گفت میانگین انرژی جنبشی ذرات در ناحیه گرم‌تر، از میانگین انرژی در ناحیه سردتر بیشتر است. اثر تجمعی مجموعه این برخوردها منجر به جاری شدن شار حرارتی از سمت جسم گرم‌تر به جسم سردتر می‌شود. این شار حرارتی مستقیماً به اختلاف دمای بین دو جسم وابسته است. بنابراین اگر اختلاف دمایی وجود نداشته باشد، گرمای خالص منتقل شده از طریق هدایت حرارتی هم صفر شده و تعادل برقرار می‌شود. با توجه به اینکه در سطح مقطع گسترده‌تر تعداد برخوردها نیز بیشتر می‌شود، می‌توان گفت هدایت گرمایی به سطح مقطع وابسته است. یعنی اگر با کف دست دیوار را لمس کنید دست شما زودتر از حالتی سرد می‌شود که با نوک انگشت دیوار را لمس کنید.

عوامل مؤثر بر هدایت گرمایی

انتقال حرارت در هر ماده‌ای اتفاق می‌افتد که در اینجا با شکل مستطیلی بالا این فرایند را توضیح می‌دهیم. فرض کنید دمای دیواره‌ سمت چپ $$T_2$$ و دمای دیواره‌ سمت راست $$T_1$$ و رابطه‌ $$T_2>T_1$$ برقرار باشد. نرخ انتقال حرارت توسط هدایت گرمایی با سطح مقطع، اختلاف دما و قابلیت هدایت ماده ارتباط مستقیم و با ضخامت رابطه‌ عکس دارد.

در نهایت، نرخ انتقال گرما به نوعی از ویژگی‌های ماده بستگی دارد که با ضریب هدایت حرارتی یا ضریب رسانندگی توصیف می‌شود. تمام این عوامل مؤثر که در معادله‌ ساده‌ حاکم بر هدایت حرارتی دیده می‌شوند، ابتدا به صورت تجربی استنباط شده و بعدها نیز توسط آزمایش‌های تجربی تأیید شده‌اند.

نرخ انتقال حرارت هدایتی در قطعه‌ای شبیه آنچه در تصویر بالا مشاهده می‌کنید، با رابطه‌ زیر محاسبه می‌شود:

$$\large \frac Qt=\frac { k A ( T _ 2 - T _ 1 ) } { d }$$

که در آن $$\frac Q t$$ نرخ انتقال گرما با واحد ژول بر ثانیه ($$J/s$$)، $$k$$ ضریب هدایت گرمایی ماده، $$A$$ سطح مقطع، $$d$$ ضخامت (یا در واقع طولی از جسم که انتقال حرارت در آن راستا صورت می‌گیرد) و $$(T_2-T_1)$$ اختلاف دما میان دو سر جسم است.

انتقال گرما به روش همرفت

فیلم آموزش فیزیک پایه 3 – جامع و کاربردی در فرادرس

کلیک کنید

همرفت و عایق‌کاری

هوا با اینکه گرما را با جریان همرفتی به خوبی منتقل می‌کند، اما در هدایت گرمایی ضعیف است و بنابراین عایق حرارتی خوبی به حساب می‌آید. فضای خالی در دسترس برای جریان هوا تعیین می‌کند که آیا هوا به عنوان یک عایق عمل خواهد کرد و یا به عنوان یک هدایت‌کننده‌ گرما. به طور مثال، فضای خالی بین دو دیوار داخلی و خارجی یک خانه حدوداً ۹ سانتی‌متر (۳٫۵ اینچ) است که فاصله‌ مناسبی برای برقراری جریان جابجایی آزاد است، بنابراین اضافه کردن دیوار عایق که جلوی جریان هوا و در نتیجه جابجایی آزاد را می‌گیرد، از هدررفت زیاد انرژی جلوگیری می‌کند. به طور مشابه، فاصله خالی بین دو دیواره یک پنجره دوجداره حدوداً یک سانتی‌متر است که از برقراری جریان جابجایی آزاد جلوگیری کرده و همچنین با استفاده از قابلیت عایق بودن هوا از هدر انرژی جلوگیری می‌کند. در حیوانات هم خز و الیاف رشته‌ای چنین کارکردی دارند، یعنی از هدایت گرمایی پایین در هوا استفاده کرده و با به دام انداختن آن در فضاهای خیلی کوچک که امکان جابجایی آزاد در آن فراهم نیست، گرما را برای خود حفظ می‌کنند.

همرفت و تغییر فاز

مثال مهم دیگر در ترکیب تغییر فاز و جابجایی آزاد، تبخیر آب از سطح اقیانوس است. در هنگام تبخیر، گرما از این طریق از سطح اقیانوس رانده می‌شود و زمانی که بخار آب به شکل قطره متراکم شود (چنان‌که ابرها شکل می‌گیرند) این گرما در جوّ رها می‌شود. این فرایند، نیروی پیش‌برنده‌ ابرهای توده‌ای و رعدآسای کومولوس است که تا ۲۰ کیلومتر در هواکره (استراتوسفر) بالا می‌روند. بخار آبی که توسط جابجایی آزاد به دست آمده بود، اکنون متراکم می‌شود و مقدار چشمگیری انرژی آزاد می‌کند. این فرایند باعث می‌شود هوای اطراف گرم شده و بالا برود. همین‌طور که هوا بالا می‌رود، تراکم بخار بیشتر صورت می‌گیرد که باعث می‌شود ابر هم بالاتر برود. چنین ساز و کاری «بازخورد مثبت» نامیده می‌شود، زیرا این فرایند خود را تقویت کرده و سرعتش را بیشتر می‌کند. البته این سیستم‌ها گاهی طوفان‌های شدید همراه با رعد و برق و مکانیسم‌های تندباد را پدید می‌آورند.

انتقال گرما به روش تابش

ما می‌توانیم به راحتی گرمای آتش یا گرمای خورشید را روی پوست خود حس کنیم و در این حس لذت‌بخش، جابجایی طبیعی یا هدایت گرمایی دخیل نیستند. در واقع فاصله خورشید و زمین به اندازه‌ای زیاد و خالی است که امکان هدایت گرمایی یا جابجایی آزاد از بین می‌رود. همین‌طور وقتی از کنار اجاق یا آتشی رد شویم، بدون لمس کردن، گرمای آن را حس می‌کنیم.

تابش آتش

نوری که از تماشای آتش به چشم ما می‌خورد، اگرچه مهیج است، اما انرژی گرمایی خیلی کمی به ما منتقل می‌کند، در حالی‌ که از طریق جابجایی آزاد بخشی از هوای اطراف گرم شده و بالا می‌آید. در اینجا نقش هدایت گرمایی بسیار کمتر است، اما بیشتر گرمایی که حس می‌کنیم از طریق اشعه فروسرخ به ما منتقل شده است. پوست انسان به این اشعه خیلی حساس است؛ به همین دلیل است که ما می‌توانیم وجود آتش را بدون دیدن آن احساس کنیم.

$$\large \mathrm{E=hf=\dfrac{hc}{λ}}$$

که در آن، $$\mathrm{E}$$ نمایانگر انرژی، $$\mathrm{f}$$ نماد فرکانس، $$\lambda$$ نماد طول موج و $$\mathrm{h}$$ یک ثابت است.

از آنجا که در دماهای بالاتر گرمای بیشتری از این طریق منتقل می‌شود، تغییرات دما با تغییرات رنگ در نور همراه است. به طور مثال، یک المنت الکتریکی در یک بخاری به رنگ قرمز یا نارنجی می‌درخشد، در حالی که فولاد‌ها با دمای بالاتر در کوره‌ ذوب آهن به رنگ زرد یا سفید می‌درخشند.

انرژی متصاعد شده از این طریق به شدت آن بستگی دارد که در شکل زیر با ارتفاع توزیع نشان داده شده است.

در نمودار (الف) طیف امواج متصاعد شده از یک جسم تابنده ایده‌آل در سه دمای مختلف مقایسه شده است. می‌بینیم که وقتی با از دمای کمتر به دمای بیشتر (به سمت فرابنفش) از رنگ قرمز به سفید و آبی حرکت می‌کنیم، با افزایش دما نرخ تابش هم افزایش یافته است. در شکل (ب) می‌توان این مسئله را در رنگ‌های متناظر با دمای شعله مشاهده کرد.

جذب و انتشار تابش

تمام اجسام تشعشعات الکرومغناطیسی متصاعد و جذب می‌کنند. نرخ انتقال گرما از طریق تابش کاملاً به رنگ جسم وابسته است. رنگ سیاه بیشترین تأثیر و رنگ سفید کمترین تأثیر را دارد، به همین دلیل است که در آب‌وهوای گرم مردم لباس‌های روشن‌تر را به لباس‌های تیره ترجیح می‌دهند. به طور مشابه، آسفالت تیره‌ خیابان نسبت به پیاده‌رو خاکستری مجاورش گرم‌تر است و برعکس این حالت نیز صادق است؛ یعنی در یک شب تابستانی، آسفالت تیره سردتر از پیاده‌رو خاکستری خواهد بود، چون آسفالت سریع‌تر گرمای خود را ساطع کرده و از دست داده است.

رابطه‌ هوشمندانه‌ای بین دمای یک تابنده و طول موج مربوط به بیشترین تابش آن وجود دارد که در «قانون جابجایی وین» (Wien's Displacement Law) بیان شده است: