الحمل الحراري (انتقال الحرارة)

الحمل الحراري (أو انتقال الحرارة بالحمل ) هو انتقال الحرارة من مكان إلى آخر نتيجة لحركة السوائل. على الرغم من أنه يُناقش غالبًا كطريقة مستقلة لانتقال الحرارة، إلا أن انتقال الحرارة بالحمل يشمل عمليتي التوصيل (انتشار الحرارة) والحمل الحراري (انتقال الحرارة عن طريق تدفق السوائل ). عادةً ما يكون الحمل الحراري هو الشكل السائد لانتقال الحرارة في السوائل والغازات .

تجدر الإشارة إلى أن هذا التعريف للحمل الحراري ينطبق فقط في سياقات انتقال الحرارة والديناميكا الحرارية . ويجب عدم الخلط بينه وبين ظاهرة الحمل الحراري في الموائع الديناميكية ، والتي يُشار إليها عادةً باسم الحمل الحراري الطبيعي في سياقات الديناميكا الحرارية، وذلك للتمييز بينهما.

يمكن أن تحدث ظاهرة الحمل الحراري بفعل حركة السوائل بوسائل أخرى غير قوى الطفو (مثل مضخة الماء في محرك السيارة). كما قد يؤدي التمدد الحراري للسوائل إلى حدوث الحمل الحراري. في حالات أخرى، تكون قوى الطفو الطبيعية وحدها مسؤولة تمامًا عن حركة السوائل عند تسخينها، وتُسمى هذه العملية "الحمل الحراري الطبيعي". ومن الأمثلة على ذلك تيار الهواء في المدخنة أو حول أي نار. في الحمل الحراري الطبيعي، تؤدي زيادة درجة الحرارة إلى انخفاض الكثافة، مما يتسبب بدوره في حركة السوائل نتيجة للضغوط والقوى الناتجة عن تأثر السوائل ذات الكثافات المختلفة بالجاذبية (أو أي قوة تسارع ). على سبيل المثال، عند تسخين الماء على الموقد ، ينزاح الماء الساخن من قاع الإناء (أو يُدفع لأعلى) بفعل السائل الأكثر برودة وكثافة، والذي يسقط. بعد توقف التسخين، يؤدي الاختلاط والتوصيل الناتج عن هذا الحمل الحراري الطبيعي في النهاية إلى كثافة متجانسة تقريبًا، ودرجة حرارة متساوية. بدون وجود الجاذبية (أو الظروف التي تسبب قوة الجاذبية من أي نوع)، لا يحدث الحمل الحراري الطبيعي، وتعمل فقط أنماط الحمل الحراري القسري.

يتألف نمط انتقال الحرارة بالحمل الحراري من آليتين. فبالإضافة إلى انتقال الطاقة الناتج عن الحركة الجزيئية المحددة ( الانتشار )، تنتقل الطاقة أيضًا عن طريق الحركة الكلية أو العيانية للسائل. وترتبط هذه الحركة بحقيقة أن أعدادًا كبيرة من الجزيئات تتحرك بشكل جماعي أو على هيئة تجمعات في أي لحظة. وتساهم هذه الحركة، في وجود تدرج حراري، في انتقال الحرارة. ولأن الجزيئات في التجمعات تحتفظ بحركتها العشوائية، فإن إجمالي انتقال الحرارة ينتج عن تراكب انتقال الطاقة الناتج عن الحركة العشوائية للجزيئات والحركة الكلية للسائل. ومن المعتاد استخدام مصطلح "الحمل الحراري" عند الإشارة إلى هذا الانتقال التراكمي، ومصطلح "الانتقال الأفقي" عند الإشارة إلى الانتقال الناتج عن الحركة الكلية للسائل. ^{[ 1 ]}

يمكن تمييز نوعين من انتقال الحرارة بالحمل الحراري:

• الحمل الحراري الحر أو الطبيعي : يحدث عندما تكون حركة المائع ناتجة عن قوى الطفو الناجمة عن تغيرات الكثافة بسبب تغيرات درجة الحرارة في المائع. في غياب مصدر حرارة داخلي، عندما يلامس المائع سطحًا ساخنًا، تتفكك جزيئاته وتتناثر، مما يقلل من كثافته. ونتيجة لذلك، ينزاح المائع بينما تزداد كثافة المائع الأبرد فيغوص. وهكذا، ينقل الجزء الأكثر سخونة الحرارة إلى الجزء الأبرد من المائع. ^{[ 2 ]} ومن الأمثلة الشائعة على ذلك تدفق الهواء الصاعد بسبب النار أو جسم ساخن، ودوران الماء في إناء يُسخن من الأسفل.
• الحمل الحراري القسري : عندما يُجبر سائل على التدفق فوق السطح بواسطة مصدر داخلي مثل المراوح أو التحريك أو المضخات، مما يخلق تيار حمل حراري مصطنع. ^{[ 3 ]}

في العديد من التطبيقات العملية (مثل فقدان الحرارة في المستقبلات المركزية للطاقة الشمسية أو تبريد الألواح الكهروضوئية)، يحدث الحمل الحراري الطبيعي والقسري في نفس الوقت ( الحمل الحراري المختلط ). ^{[ 4 ]}

يمكن تصنيف الحمل الحراري إلى نوعين: داخلي وخارجي. يحدث التدفق الداخلي عندما يكون المائع محصورًا داخل جسم صلب، كما هو الحال عند تدفقه عبر أنبوب. أما التدفق الخارجي فيحدث عندما يمتد المائع إلى ما لا نهاية دون أن يصطدم بسطح صلب. كلا النوعين، سواء كان طبيعيًا أو قسريًا، يمكن أن يكونا داخليين أو خارجيين لأنهما مستقلان عن بعضهما. تُعد درجة حرارة المائع الكلية ، أو متوسط ​​درجة حرارته، نقطة مرجعية مناسبة لتقييم الخصائص المتعلقة بانتقال الحرارة بالحمل الحراري، لا سيما في التطبيقات المتعلقة بالتدفق في الأنابيب والقنوات.

يمكن إجراء تصنيف إضافي بناءً على نعومة وتموجات الأسطح الصلبة. ليست كل الأسطح ناعمة، مع أن معظم المعلومات المتاحة تتناول الأسطح الناعمة. تُصادف الأسطح المتموجة غير المنتظمة بكثرة في أجهزة نقل الحرارة، بما في ذلك جامعات الطاقة الشمسية، والمبادلات الحرارية التجديدية، وأنظمة تخزين الطاقة تحت الأرض. ولها دور هام في عمليات نقل الحرارة في هذه التطبيقات. ونظرًا لما تُضيفه من تعقيد بسبب تموجات الأسطح، فإنها تتطلب معالجة رياضية دقيقة من خلال تقنيات تبسيط أنيقة. كما أنها تؤثر على خصائص التدفق ونقل الحرارة، وبالتالي تختلف في سلوكها عن الأسطح المستقيمة الناعمة. ^{[ 5 ]}

للحصول على تجربة بصرية للحمل الحراري الطبيعي، يمكن وضع كوب مملوء بالماء الساخن وبعض صبغة الطعام الحمراء داخل حوض سمك يحتوي على ماء بارد وشفاف. يمكن ملاحظة تيارات الحمل الحراري للسائل الأحمر وهي ترتفع وتنخفض في مناطق مختلفة، ثم تستقر في النهاية، مما يوضح عملية تبدد تدرجات الحرارة.

يُفترض أحيانًا بشكل فضفاض أن التبريد بالحمل الحراري يتم وصفه بقانون نيوتن للتبريد. ^{[ 6 ]}

ينص قانون نيوتن على أن معدل فقدان الحرارة من جسم ما يتناسب طرديًا مع الفرق في درجات الحرارة بين الجسم ومحيطه عند تعرضه لنسيم . وثابت التناسب هو معامل انتقال الحرارة . ^{[ 7 ]} ينطبق هذا القانون عندما يكون المعامل مستقلًا، أو شبه مستقل، عن الفرق في درجة الحرارة بين الجسم والبيئة المحيطة.

في انتقال الحرارة بالحمل الحراري الطبيعي التقليدي، يعتمد معامل انتقال الحرارة على درجة الحرارة. ومع ذلك، فإن قانون نيوتن يُقارب الواقع عندما تكون تغيرات درجة الحرارة صغيرة نسبيًا، وفي حالة التبريد بالهواء القسري والتبريد بالسائل المضخوخ، حيث لا تزداد سرعة المائع مع ازدياد فرق درجة الحرارة.

العلاقة الأساسية لانتقال الحرارة بالحمل الحراري هي:

${\displaystyle {\dot {Q}}=hA(T-T_{f})}$

أين${\displaystyle {\dot {Q}}}$^{[ 8 ]} هي الحرارة المنتقلة لكل وحدة زمنية، _و A هي مساحة الجسم، وh هو معامل انتقال الحرارة ، وT هي درجة حرارة سطح الجسم، و Tf هي درجة حرارة المائع.

يعتمد معامل انتقال الحرارة بالحمل على الخصائص الفيزيائية للسائل والظروف المحيطة. وقد تم قياس قيم h وتدوينها في جداول للسوائل الشائعة وظروف التدفق المختلفة.

• انتقال الحرارة بالحمل المترافق
• الحمل الحراري
• الحمل الحراري القسري
• الحمل الحراري الطبيعي
• الحمل الحراري المختلط
• معامل انتقال الحرارة
• تحسين نقل الحرارة
• مخطط هايسلر
• الموصلية الحرارية
• معادلة الحمل الحراري والانتشار