انتقال حرارت (Heat Transfer)، عبارت از جابجایی یا جریان انرژی گرمایی (thermal energy) می باشد. اغلب از انتقال حرارت برای توصیف اتلاف انرژی گرمایی از یک مکان به محیط اطرافش استفاده می شود. انتقال حرارت با دو ویژگی اصلی مدیریت می شود. ویژگی اول دما (temperature) است، که به مقدار انرژی گرمایی موجود اشاره دارد. ویژگی دوم جریان این انرژی گرمایی است. به لحاظ مولکولی، اجسامی که دمای بالاتری دارند، دارای تحرک مولکولی (molecular agitation) بیشتری هستند. به عبارت دیگر، هر چقدر چیزی گرمتر باشد، حرکت مولکول های آن سریعتر صورت می پذیرد. بنابراین می توان از این زاویه نیز به انتقال حرارت نگاه کرد که در واقع انتقال حرارت عبارت از انتقال انرژی جنبشی (kinetic energy) از مولکولی به مولکول دیگر می باشد. اگر در زمینۀ انرژی حرارتی و به طور کل در مورد فیزیک نیاز به منابع آموزشی کاملی دارید مجموعه آموزش فیزیک را به شما پیشنهاد می کنیم.

انتقال حرارت به سه روش مختلف صورت می پذیرد: هدایت (conduction) که به آن رسانش گرمایی نیز می گویند، همرفت (convection)، و تابش گرمایی (thermal radiation). این فرآیندها می توانند به صورت جداگانه رخ دهند یا اینکه به صورت همزمان هر سۀ آنها با هم رخ دهند.

مکانیزم های انتقال حرارت

مکانیزم های انتقال حرارت در واقع روش هایی هستند که به واسطۀ آنها انرژی گرمایی می تواند بین اجسام منتقل شوند و تمامی این روش ها بر این اصل اساسی تکیه کرده اند که انرژی جنبشی یا حرارت می خواهد در حالت تعادل (equilibrium) قرار گیرد. به سه روش مختلف این اتفاق می افتد: هدایت، همرفت و تابش گرمایی. توجه داشته باشید که گاهی اوقات تابش گرمایی را صرفاً تابش نیز می نامند، اما تابش یک کلمۀ عمومی است که شامل پدیده های دیگر نیز می شود، از این رو بهتر اینست که نام کاملش یعنی تابش گرمایی را بکار ببرید. پدیدۀ مرتبط دیگری با این پدیده ها وجود دارد که به آن گرمای نهان تبخیر (Evapotranspiration) می گویند.


اگر مایلید در مورد انتقال حرارت بیشتر بدانید آموزش انتقال حرارت در فرادرس را ببینید.

هدایت (رسانش گرمایی)

اگر سر یک سیخ کباب را به مدت کافی در آتش قرار دهید، دستۀ آن نیز داغ می شود. انرژی از آتش به نوک سیخ کباب منتقل می شود و سپس در امتداد آن جریان پیدا می کند. به دلیل حرارت بالای محیط (در واقع گرمای آتش)، دامنۀ ارتعاش اتمها و الکترونهای سیخ فلزی افزایش می یابد و این امر منجر می شود تا این دامنه های ارتعاشی بیشتر افزایش پیدا کنند و انرژی از اتمی به اتم دیگر منتقل شود. همین اصل فیزیکی است که منجر می شود دستۀ سیخ کباب با وجود اینکه خودش مستقیماً در معرض حرارت مستقیم نبوده است داغ شود.

هدایت، جابجایی گرما (یا الکتریسیته) است که از داخل یک ماده صورت می پذیرد و شما متوجه حرکت محسوسی در آن ماده نخواهید شد. هدایت زمانی رخ می دهد که انرژی از اتمی به اتم دیگر جابجا می شود. هدایت می تواند در مایعات، گازها یا جامدات رخ دهد. برای اینکه هدایت بین دو شیء صورت پذیرد باید شرایط زیر برقرار باشد:

• برای اینکه هدایت بین دو شیء مختلف انجام پذیرد، باید آن دو جسم با یکدیگر در تماس باشند.
  
• برای اینکه هدایت بین اتم های یک شیء انجام شود، آن اتم ها نیز باید با یکدیگر در تماس باشند یا اینکه تقریباً در تماس با هم باشند.
  

هنگامی که هدایت رخ می دهد، منجر نمی شود که آن جسم جابجا شود، از این رو از دید بیننده، حرکتی مشاهده نخواهد شد. همینطور که مولکول ها گرم می شوند، شروع به ارتعاش می کنند، و این امر منجر می شود که انرژی جنبشی آنها به مولکول های پیرامونشان که با آنها در تماسند، منتقل شود. در ادامه می خواهیم چند نمونه از انتقال گرما به شیوۀ هدایت در زندگی واقعی را برای شما مطرح کنیم تا بهتر بتوانید موضوع را درک کنید.

بعضاً علم فیزیک و علم شیمی در هم تنیده می شوند، اگر از آن دسته از افرادی هستید که به دنبال درک بهتر و عمیق تر مطالب هستید توصیه می کنم مجموعه آموزش مهندسی شیمی را بررسی کنید.

• این مورد را قطعاً خیلی از شما ها قبلاً تجربه کرده اید. وقتی که یک چسب کمر درد را روی عضلاتی که درد می کنند قرار می دهید، ناحیه ای که چسب روی آن قرار دارد شروع به گرم شدن می کند. در واقع گرمای چسب کمر درد، توسط هدایت به عضلات بدن شما منتقل می شود. این هدایت بین دو جسم رخ می دهد: چسب کمر درد و عضلات بدن شما.
  
• گرمای یک مایع داغ مانند چای یا قهوۀ داغ، منجر می شود که فنجان آن نیز داغ شود. اگر یک فنجان قهوۀ داغ را مستقیماً و بدون استفاده از دستۀ آن در دست بگیرید، گرمای آن به دست شما منتقل می شود. هر دوی این انتقال ها توسط هدایت و بین دو جسم رخ داده اند.
  
• اگر سردتان باشد و کسی که بدنش گرمتر است شما را در آغوش بکشد، گرما به وسیلۀ هدایت از بدن آن فرد به بدن شما منتقل می شود.
  
• وقتی که موقع صبحانه خوردن شکر را در چایی حل می کنید، اگر قاشقی که با آن شکر را هم زده اید، مدتی در فنجان رها کنید، خواهید دید که گرم می شود. در واقع گرمای چایی از طریق هدایت به قاشق منتقل شده است.
  
• اگر یک شکلات کاکائویی را در دستتان بگیرید و مدتی نگه دارید، دیر یا زود آب می شود. دلیل آب شدنش اینست که گرمای بدن شما به وسیلۀ هدایت به شکلات منتقل شده است.
  
• هنگامی که لباس هایتان را اتو می کنید، گرمای اتو از طریق هدایت به لباس منتقل می شود.
  
• اگر به یک بخاری داغ دست بزنید، گرمای آن به دست شما منتقل می شود و دست شما خواهد سوخت.
  
• وقتی که در تابستان با پای برهنه روی ماسه های داغ راه می روید، گرمای آن به پای شما منتقل می شود.
  
• اگر به یک لامپ روشن دست بزنید (مخصوصاً اگر از آن لامپ های پر مصرف 200 واتی باشد) گرمای آن را روی دستتان حس خواهید کرد.
  

اگر خودتان اندکی فکر کنید مثال های فراوان دیگری را خواهید یافت که به شما کمک می کند مفهوم هدایت یا رسانش گرمایی را بخوبی درک کنید. اگر در زمینۀ انتقال حرارت نیازمند یک آموزش جامع و حرفه ای هستید آموزش انتقال حرارت پیشرفته منبع آموزشی بسیار مناسبی برای شما می باشد.

همرفت

هنگامی که به شعلۀ یک شمع یا شعلۀ یک کبریت نگاه می کنید، مشغول تماشای انرژی گرمایی هستید که به وسیلۀ همرفت در حال جابجا شدن به سمت بالا می باشد. هنگامی که یک مایع مانند آب یا یک گاز مانند هوا، با جسمی در تماس باشد که گرمایش از گرمای آن مایع یا گاز بیشتر باشد، در آن حالت هم همرفت است که انرژی گرمایی را منتقل می کند. دمای بخشی از آن مایع یا گاز که با آن شیء داغ در ارتباط است، افزایش می یابد و آن مایع یا گاز بسط پیدا می کند و چگالی اش کمتر می شود و این کاهش چگالی منجر می شود که بالاتر بیاید. در این حالت بخشی از مایع یا گاز های پیرامون آن جریان پیدا می کنند تا جای آن را بگیرند، دوباره این فرآیند تکرار می شود و به همین شکل ادامه می یابد و قسمت های سرد و گرم با یکدیگر به همین شکل جابجا می شوند.

اگر آموزش های انتقال حرارت در این سطح شما را ارضا نمی کند، می توانید آموزش هدایت حرارتی پیشرفته را نیز ببینید.

همرفت را در طبیعت به وفور می توانید ببینید، در واقع همرفت بخشی جدایی ناپذیر از بسیاری از فرآیندهای طبیعی است. همرفت جوی (Atmospheric convection) نقش مهمی در تعیین الگوهای آب و هوایی و تغییرات روزانۀ آب و هوا بازی می کند. خلبانان گلایدرها و همینطور پرنده ها به دنبال حرارت های بالا آمده هستند تا آنها را بالا نگه دارد، در واقع این هوای گرمی که آنها را بالا نگه می دارد نتیجۀ همرفت می باشد. با فرآیند مشابهی، انرژی فراوانی توسط اقیانوس ها ایجاد می شود. همچنین انرژی گرمایی توسط همرفت از هستۀ خورشید به سطح آن منتقل می شود.

همرفت زمانی اتفاق می افتد که گرما از طریق یک گاز یا مایع از مادۀ گرمتر به ناحیۀ سردتر منتقل می شود. قبل از اینکه مثال های بیشتری از همرفت را برای شما بیاوریم، مهم است که تعریف همرفت را خوب درک کنید. همرفت انتقال گرما در داخل سیالات (مایعات و گازها) است که بدلیل بالا آمدن مواد داغتر و غرق شدن مواد سردتر رخ می دهد. دلیل این اتفاق اینست که چگالی مواد داغتر کمتر است و طبیعتاً هر ماده ای که چگالی اش کمتر باشد بالاتر قرار می گیرد. بد نیست بدانید، در علم هواشناسی، همرفت عبارت از انتقال گرما و دیگر خواص جوی با حرکت توده های هوا به ویژه به سمت بالا می باشد. در زمین شناسی، همرفت عبارت از حرکت آهسته مواد در زیر پوسته زمین است. برخی از این همرفت ها ساختۀ دست بشر می باشند.

مثال های بی شماری از همرفت در زندگی روز مرۀ ما وجود دارد، در اینجا به برخی از این موارد اشاره می کنیم تا درک شما از موضوع افزایش یابد:

• هنگامی که آب در حال جوش آمدن است، گرما از مشعل به کتری آب منتقل می شود و آب موجود در قسمت پایین ظرف را گرم می کند. این آبی که گرم شده است بالا می رود و آب سردی که در بالای آن وجود دارد پایین آمده و جای آن را می گیرد. این پدیده منجر به حرکتی دورانی درون آب می شود.
  
• در رادیاتورهای خانگی، هوای گرم در بالا قرار دارد و هوای سرد در زیر آن قرار دارد. با گرم شدن هوای سرد در زیر رادیاتور، حرکت دورانی آغاز می شود و همرفت به جریان می افتد.
  
• بخاری که در بالای فنجان قهوۀ تان می بینید ناشی از پدیدۀ همرفت است، همرفت منجر می شود که گرما به هوا منتقل شود.
  
• دلیل ذوب شدن یخ اینست که گرما از هوا به آن منتقل می شود. در نتیجه یخ از حالت جامد به مایع تبدیل می شود.
  
• غذاهای یخ زده در زیر آب جاری، نسبت به آب راکد، سریعتر آب می شوند، دلیل این مسأله اینست که آب جاری نسبت به زمانی که در آب ساکن قرار می گیرد، سریعتر گرما را به غذای یخ زده منتقل می کند.
  
• هنگامی که از یک فن، پمپ، یا هر دستگاه مکنده دیگر استفاده می کنید، همرفت تسهیل می شود، نتیجۀ این کار چیزی است که به آن همرفت اجباری می گویند. همرفت اجباری در تهویۀ مطبوع، سیستم های گرمایش مرکزی، رادیاتور ماشین، و حتی اجاق گاز وجود دارد.
  

برای افزایش دانشتان دربارۀ انتقال حرارت، سری به روش های انتقال گرما بزنید.

تابش گرمایی

روش سومی که طی آن یک شیء می تواند به تبادل انرژی گرمایی با محیط پیرامونش بپردازد، از طریق امواج الکترو مغناطیسی (electromagnetic waves) می باشد. یکی از انواع امواج الکترو مغناطیسی نور مرئی (visible light) می باشد. انرژی ای که به این روش منتقل می شود، تابش گرمایی (thermal radiation) نام دارد. هنگامی که در مقابل یک آتش بزرگ قرار می گیرید، با جذب کردن تابش های گرمایی از آتش، گرم می شوید؛ درست تر اینست که بگوییم با کاهش انرژی حرارتی آتش، انرژی حرارتی شما افزایش می یابد. گرمایی که از طریق تابش گرمایی منتقل می شود نیاز به هیچ وسیله ای جهت انتقال ندارد، این تابش ها می توانند از درون خلاء نیز سفر کنند، مثل گرمایی که از خورشید به کرۀ زمین می رسد.

اصطلاح تابش گرمایی به انرژی ای اشاره می کند که در فضا یا ماده به شکل امواج یا ذرات دارای انرژی وجود دارد. هنگامی که تابش گرمایی رخ می دهد، امواج از منبع تولید کنندۀ این انرژی در تمامی جهات ساطع می شوند. وقتی صحبت از تابش امواج پیش می آید، ممکن است فقط به اشعۀ ایکسی که در بیمارستان ها وجود دارد فکر کنید، اما واقعیت اینست که تابش در تمامی پیرامون شما وجود دارد. برای درک بهتر موضوع در ادامه تعدادی مثال را برای شما لیست کرده ایم:

• نور مرئی
  
• نور مادون قرمز
  
• مایکروویو
  
• امواج با فرکانس پایین
  
• امواج رادیویی
  
• امواج تولید شده توسط تلفن های همراه
  
• گرمای آتش سوزی
  
• خطوط برق
  
• آهنرباهای قوی
  
• MRI
  
• LED ها
  
• لبزر
  
• لامپ های روشنایی
  
• نوری از خورشید
  
• کنترل از راه دور
  
• تلفن های بی سیم
  
• مانیتور کامپیوتر
  
• اشعۀ ایکس
  
• اشعۀ گاما
  
• اشعه های کیهانی
  
• پرتوهای آلفا
  
• اشعه بتا
  
• تجهیزات تصویر برداری پزشکی
  
• تولید انرژی هسته ای
  
• سلاح های هسته ای
  
• سی تی اسکن
  
• اسکن های پزشکی هسته ای
  
• اسکنرهای امنیتی فرودگاه ها
  

مبحث انتقال گرما از مباحث بسار مهم و کاربردی در مهندسی مکانیک می باشد، اگر نیاز به یک مرجع آموزشی جامع در حوزۀ مهندسی مکانیک دارید، مجموعه آموزش مهندسی مکانیک (Mechanics) منبعی بسیار عالی برای شما می باشد.