انتقال الحرارة

بنقل المادة، تتحرك الطاقة -بما فيها الطاقة الحرارية- عبر الانتقال الفيزيائي لجسم حار أو ساخن من مكان إلى آخر. يمكن لهذا أن يكون ببساطة وضع ماء ساخن في قارورة وتسخين سرير، أو حركة جبل جليدي في تيارات المحيط المتغيرة. تتمثل الأمثلة العملية لذلك في الهيدروليك الحراري. يمكن وصف هذا بالمعادلة:

${\displaystyle \phi _{q}=v\rho c_{p}\Delta T}$

حيث:

• ${\displaystyle \phi _{q}}$ التدفق الحراري لواحدة السطح (واط/م²)،
• ${\displaystyle \rho }$ الكثافة (كغ/م³)،
• ${\displaystyle c_{p}}$ السعة الحرارية عند ضغط ثابت (J/kg·K)،
• ${\displaystyle \Delta T}$ فرق درجات الحرارة (K)،
• ${\displaystyle v}$ السرعة (م/ثا).

يحدث التوصيل الحراري، على المستوى الميكروسكوبي، حين تتفاعل الذرات والجزيئات الساخنة، المتحركة أو المهتزة بسرعة، مع الذرات والجزيئات المجاورة لها، ناقلةً بعض طاقتها (حرارتها) إلى هذه الجسيمات المجاورة. بكلمات أخرى، تنتقل الحرارة بالتوصيل عند اهتزاز الذرات المتجاورة على بعضها البعض، أو عندما تتحرك الإلكترونات من ذرة إلى أخرى. التوصيل أكثر سبل انتقال الحرارة تأثيرًا في وسط صلب أو بين الأجسام الصلبة المتلامسة حراريًّا. الموائع -وخاصة الغازات- أقل موصليةً حراريةً. تعبر الموصلية الحرارية عند التماس الحراري عن دراسة التوصيل الحراري بين الأجسام الصلبة المتلامسة. تدعى عملية انتقال الحرارة من مكان إلى آخر دون حركة الجسيمات التوصيل، كما في حالة وضع يد على كأس ماء بارد؛ إذ تنتقل الحرارة بالتوصيل من الجلد الدافئ إلى الكأس البارد، لكن إذا أُبقيت اليد على بعد بضع إنشات من الكأس لن يحدث إلا القليل من التوصيل لأن الهواء ناقل رديء للحرارة. التوصيل الحراري في الحالة المستقرة نموذج مثالي للتوصيل يحدث عندما يكون فرق درجات الحرارة المؤدي إلى التوصيل الحراري ثابتًا، بحيث لا يزداد تغير التوزع المكاني لدرجات الحرارة في الجسم الواصل بعد مرور زمن (حسب قانون فورييه). تتساوى كمية الحرارة الداخلة مع الخارجة من مقطع ما في الحالة المستقرة للتوصيل الحراري؛ بما أن تغير درجات الحرارة (وهي مقياس للطاقة الحرارية) معدوم. يشكل تدفق الحرارة عبر جدران منزل دافئ في ليلة باردة مثالًا على التوصيل الحراري المستقر -يحافَظ على درجات حرارة عالية داخل المنزل، في حين تبقى درجة الحرارة الخارجية منخفضة، فيبقى الانتقال الحراري في واحدة الزمن قريبًا من معدل ثابت يحدد قيمته العزل في الجدار، ويكون التوزع المكاني لدرجات الحرارة في الجدران ثابتًا تقريبًا عبر الزمن.[7]

يحدث التوصيل غير المستقر (الانتقالي) عندما تتغير درجة الحرارة داخل جسم ما كتابع للزمن. تحليل الأنظمة غير المستقرة أكثر تعقيدًا، ولا يصلح استخدام الحلول التحليلية لمعادلة الحرارة إلا في أنظمة النموذج المثالي. تُبحث التطبيقات العملية بشكل عام باستخدام طرائق عددية، وتقنيات تقريب، أو من خلال البحث التجريبي.[7]

وذلك أن يحمل المائع الحرارة من مكان إلى مكان آخر، وينقسم إلى قسمين[8]

1. حمل طبيعي (بالإنجليزية: Natural Convection)‏: وهو ما يحدث دون تدخل الإنسان. مثل: حمل الهواء للحرارة من المكان الحار إلى المكان البارد أثناء تحركه بسبب فرق الكثافة، فإن الغازات الساخنة تقل كثافتها وبالتالي ترتفع إلى أعلى ويحل محلها غازات باردة.
2. حمل جبري أو قسري (بالإنجليزية: Forced Convection)‏: حيث تتحرك دقائق المائع الناقل للحرارة حركة قسرية كأن تحركها تيارات قسرية تولدها أجهزة صناعية تعمل على إيجاد فرق في الضغط بين منطقتين في المائع. تعمل حركة المائع القسرية على نقل الحرارة أينما ذهبت كما في النوع الأول، ولكن بطبيعة قسرية. مثل: مروحة التبريد داخل الحاسوب التي تحرك الهواء الساخن إلى خارجه ليحل محله هواء بارد.

قد يكون تدفق المائع مدفوعًا بعمليات خارجية، أو في بعض الحالات (في الحقول الثقالية) بواسطة قوى الطفو التي يسببها تمديد الطاقة الحرارية للمائع (كما في أعمدة الدخان)، مؤثرةً بذلك على انتقالها نفسها -أي الطاقة الحرارية-. غالبًا ما تدعى العملية الأخيرة «الحمل الطبيعي». كل العمليات الحملية تحرك الحرارة جزئيًّا بالانتشار (التوصيل) أيضًا. شكل آخر من الحمل هو الحمل القسري. في هذه الحالة يجبر المائع على الجريان باستخدام مضخة، أو مروحة، أو وسيلة ميكانيكية أخرى. هو العملية التي تنتقل فيها الحرارة عبر مائع كالهواء.

انتقال الحرارة بالحمل، أو الحمل، هو انتقال الحرارة من مكان إلى آخر عبر حركة الموائع، وهي عملية تمثل بالأساس انتقال الحرارة عبر انتقال الكتلة. يحسن جريان المائع انتقال الحرارة في العديد من الحالات الفيزيائية، على سبيل المثال، بين سطح صلب والمائع.[9] عادةً ما يكون الحمل الشكل المسيطر على انتقال الحرارة في السوائل والغازات. مع أنه يناقش أحيانًا على أنه شكل ثالث من انتقال الحرارة، يستخدم الحمل الحراري عادةً لوصف الأثر المشترك لتوصيل الحرارة ضمن المائع (الانتشار) وانتقال الحرارة بتدفق مسارات جريان المائع.[10] تُعرف عملية الحركة الانتقالية عبر تيارات المائع باسم النقل، لكن النقل الصافي مصطلح يرتبط عادةً بانتقال الكتلة فقط في الموائع، كانتقال البحص في نهر. في حالة انتقال الحرارة في الموائع، حيث يترافق الانتقال بالنقل في المائع دائمًا مع الانتقال بالانتشار الحراري (يعرف أيضًا باسم التوصيل الحراري)، يفهم من عملية الحمل الحراري أنها تشير إلى مجموع انتقال الحرارة بالنقل والانتشار/ التوصيل.

يحدث الحمل الحر أو الطبيعي عندما تنتج حركات جريان المائع (التيارات والمسارات) عن قوى الطفو الناتجة عن تغيرات الكثافة التي تنشأ بدورها عن تغيرات درجة الحرارة في المائع. الحمل القسري مصطلح يستخدم عندما تكون المسارات والتيارات في المائع محرضة بوسائط خارجية -كالمراوح وأدوات التحريك والمضخات- منشئةً تيار حمل محرضًا بشكل صناعي.[11]

يوصف التبريد الحملي أحيانًا بأنه قانون نيوتن للتبريد:

نسبة الضياع الحراري لجسم تتناسب طردًا مع فرق درجات الحرارة بين الجسم ومحيطه.

لكن، بالتعريف، تتطلب قابلية تطبيق قانون نيوتن للتبريد أن تكون نسبة الضياع (أو الفقد) الحراري بالحمل تابعًا خطيًّا لفرق درجات الحرارة («متناسبًا طرديًّا مع فرق درجات الحرارة») الذي يقود انتقال الحرارة، وأحيانًا لا تكون هذه هي الحالة في التبريد بالحمل. بشكل عام، لا يعتمد الحمل خطيًّا على التدرجات الحرارية، وفي بعض الحالات يكون غير خطي بشكل كبير. في هذه الحالات، لا يمكن تطبيق قانون نيوتن.

لنتصور قضيباً مساحة مقطعه ${\displaystyle A}$، ودرجات الحرارة عند طرفيه هي ${\displaystyle T1}$، ${\displaystyle T2}$ وقد وجد أن: ${\displaystyle Q/T=q'~A*(T1-T2)/L}$

أو ${\displaystyle q=KdT/dX}$ حيث ${\displaystyle q={\frac {q'}{A}}}$

من هنا يمكن تعريف معامل التوصيل ${\displaystyle K}$ بأنه كمية الحرارة التي تنتقل عبر وحدة المساحات في وحدة الزمن إذا كان فارق درجات الحرارة الوحدة وطول القضيب الوحدة، وواضح أن وحدات ${\displaystyle K}$ هي وات /مترمربع.كلفن

والمقصود به انتقال الحرارة عن طريق الإشعاعات مثل الأشعة فوق البنفسجية أو أشعة الليزر التي تحمل قدرًا كبيرًا من الحرارة. جميع أنواع الموجات الكهرومغناطيسية لها طاقة حرارية مختلفة تعتمد على التردد ، من ضمنها الأشعة تحت الحمراء التي يمكننا بتصويرها معرفة تسرب الحرارة من البيوت في البلاد الباردة، ومعرفة مدى ممانعة الجدران والنوافذ لتسرب الحرارة إلى الخارج.

• تقاس كمية الحرارة دائما بالجول.
• وتقاس درجة الحرارة ب درجة مئوية أو درجة فهرنهايت أو كلفن.