قانون التبريد لنيوتن

يدعى التبريد بالحمل أحيانًا «قانون نيوتن في التبريد». يبنى هذا الاستخدام للمصطلح على عمل نشره إسحق نيوتن دون أن ينسبه لنفسه عام 1701 تحت عنوان «مقياس درجة الحرارة. أوصاف ومعايير التسخين – باللاتينية: Scala graduum Caloris. Calorum Descriptiones & signa» في العمليات الفلسفية، المجلد 22، العدد 270.[2]

في الحالات التي يكون فيها معامل انتقال الحرارة مستقلًا، أو مستقلًا نسبيًّا، عن فرق درجات الحرارة بين الجسم والوسط المحيط، يُتبع قانون نيوتن. قد يكون هذا الاستقلال هو الحالة، لكن هذا أمر غير مضمون. غالبًا ما يكون معامل انتقال الحرارة مستقلًّا عن درجة الحرارة في التبريد بالتوصيل الحراري الصرف، لكنه يصبح تابعًا لدرجة الحرارة في انتقال الحرارة التقليدي الطبيعي بالحمل. في هذه الحالة، لا يقارب قانون نيوتن القيم الحقيقية إلا عندما تكون التغيرات في درجة الحرارة صغيرة نسبيًّا. كان نيوتن نفسه يعي هذه الحدود.[3]

صحح دولونغ وبيتيت قانون نيوتن في عام 1817 تصحيحًا خاصًّا بالفروق الكبيرة في درجات الحرارة. (اشتهر هذان الرجلان أكثر لصياغتهما قانون دولونغ-بيتيت الخاص بالسعة الحرارية المولية لبلورة).

الحالة الأخرى لمعامل انتقال الحرارة المتعلق بدرجة الحرارة هي انتقال الحرارة بالإشعاع، وهي لا تخضع لقانون نيوتن كذلك.

نسخة انتقال الحرارة من قانون نيوتن، التي (كما أشير) تتطلب معامل انتقال حرارة ثابتًا، تنص على أن معدل الفقد الحراري لجسم يتناسب طردًا مع الفرق في درجات الحرارة بين الجسم ومحيطه.

معدل انتقال الحرارة في هذه الظروف مستنتج أدناه:[4]

قانون نيوتن التبريدي في حالة الحمل هو إعادة صياغة للمعادلة التفاضلية المعطاة بقانون فورييه:

${\displaystyle {\frac {dQ}{dt}}=-h\cdot A\cdot (T(t)-T_{\text{env}})=-h\cdot A\Delta T(t),}$

حيث:

Q الطاقة الحرارية (واحدتها الدولية: الجول)${\displaystyle h}$

h معامل انتقال الحرارة (يفترض هنا أنه مستقل عن درجة الحرارة T)

A مساحة سطح الانتقال الحراري (وحدتها الدولية: m²)${\displaystyle T}$

T درجة حرارة سطح الجسم وداخله (بما أنهما متساويان في هذا التقريب) (واحدتها الدولية: كلفن)

Tenv درجة حرارة الوسط المحيط: أي درجة الحرارة على بعد مناسب عن السطح (واحدتها الدولية: كلفن)${\displaystyle \Delta T(t)=T(t)-T_{\text{env}}}$

يعتمد معامل انتقال الحرارة h على الخواص الفيزيائية للمائع والوضع الفيزيائي الذي يحدث فيه الانتقال بالحمل. لذا، ففي كل نظام يمكن دراسته بافتراض صحة قانون نيوتن، يجب اشتقاق معامل انتقال حرارة وحيد قابل للاستخدام (لا يتغير بشكل ملحوظ في المجال الحراري المستخدم أثناء التبريد والتسخين) أو إيجاده تجريبيًّا.

توجد صيغ وعلاقات في العديد من المراجع لحساب معاملات انتقال الحرارة لطرق التركيب التقليدية والموائع. يكون معامل انتقال الحرارة في الجريانات الصفائحية أقل عادةً منه في الجريانات المضطربة؛ بسبب امتلاك الجريانات المضطربة طبقة حدية رقيقة أرفع على سطح انتقال الحرارة. على كل، لاحظوا أن قانون نيوتن ينهار عند انتقال الجريان بين جريان مضطرب وجريان صفائحي؛ لأن ذلك يغير معامل انتقال الحرارة ##رمز## الذي يفترض ثباته عند حل هذه المعادلة.

• بوابة الفيزياء