الحمل الحراري

الحمل الحراري هو تدفق السوائل أحادي أو متعدد المراحل والذي يحدث تلقائيًا من خلال التأثيرات المجمعة لتباين خصائص المادة وقوى الجسم على السائل ، والأكثر شيوعًا الكثافة والجاذبية (انظر الطفو ). عندما يكون سبب الحمل الحراري غير محدد، يمكن افتراض الحمل الحراري بسبب تأثيرات التمدد الحراري والطفو. قد يحدث الحمل الحراري أيضًا في المواد الصلبة اللينة أو المخاليط حيث يمكن أن تتدفق الجسيمات.

قد يكون التدفق الحملي عابرًا (مثل عندما ينفصل خليط متعدد المراحل من الزيت والماء ) أو حالة مستقرة (انظر خلية الحمل الحراري ). قد يكون الحمل الحراري بسبب قوى الجاذبية أو الكهرومغناطيسية أو قوى الجسم الوهمية . يلعب انتقال الحرارة بالحمل الحراري الطبيعي دورًا في بنية الغلاف الجوي للأرض ومحيطاتها ووشاحها . يمكن التعرف على خلايا الحمل الحراري المنفصلة في الغلاف الجوي من خلال السحب ، حيث يؤدي الحمل الحراري الأقوى إلى العواصف الرعدية . يلعب الحمل الحراري الطبيعي أيضًا دورًا في فيزياء النجوم . غالبًا ما يتم تصنيف الحمل الحراري أو وصفه من خلال التأثير الرئيسي الذي يسبب التدفق الحملي؛ على سبيل المثال، الحمل الحراري.

لا يمكن أن يحدث الحمل الحراري في معظم المواد الصلبة لأنه لا يمكن حدوث تدفقات تيار كبيرة ولا انتشار كبير للمادة. الحمل الحراري الحبيبي هو ظاهرة مماثلة في المواد الحبيبية بدلاً من السوائل. الحمل الحراري هو حركة السوائل الناتجة عن السرعة بدلاً من التدرجات الحرارية. نقل الحرارة بالحمل الحراري هو الاستخدام المتعمد للحمل الحراري كطريقة لنقل الحرارة . الحمل الحراري هو عملية يتم فيها نقل الحرارة من مكان إلى آخر عن طريق الحركة الكلية للسائل والغازات.

في ثلاثينيات القرن التاسع عشر، في كتاب The Bridgewater Treatises ، تم إثبات مصطلح الحمل الحراري بالمعنى العلمي. في الرسالة الثامنة لويليام بروت ، في كتابه عن الكيمياء ، ورد ما يلي: ^[1]

[...] تحدث حركة الحرارة هذه بثلاث طرق، وهو ما يوضحه الموقد العادي جيدًا. على سبيل المثال، إذا وضعنا مقياس حرارة أمام النار مباشرة، فإنه يبدأ في الارتفاع قريبًا، مما يدل على زيادة درجة الحرارة. في هذه الحالة، شقت الحرارة طريقها عبر الفراغ بين النار ومقياس الحرارة، من خلال العملية التي تسمى الإشعاع . إذا وضعنا مقياس حرارة ثانيًا على اتصال بأي جزء من الشبكة، وبعيدًا عن التأثير المباشر للنار، فسنجد أن هذا المقياس الحراري يشير أيضًا إلى زيادة في درجة الحرارة؛ ولكن هنا يجب أن تكون الحرارة قد انتقلت عبر معدن الشبكة، من خلال ما يسمى بالتوصيل . أخيرًا، يشير مقياس حرارة ثالث موضوع في المدخنة، بعيدًا عن التأثير المباشر للنار، أيضًا إلى زيادة كبيرة في درجة الحرارة؛ في هذه الحالة، أصبح جزء من الهواء، الذي يمر عبر النار وبالقرب منها، ساخنًا، وحمل درجة الحرارة المكتسبة من النار إلى المدخنة. لا يوجد حاليًا مصطلح واحد في لغتنا يستخدم للإشارة إلى هذا النمط الثالث من انتشار الحرارة؛ لكننا نجازف باقتراح مصطلح الحمل الحراري لهذا الغرض ، [في الحاشية: [باللاتينية] Convectio ، حمل أو توصيل] والذي لا يعبر فقط عن الحقيقة الرئيسية، بل يتفق أيضًا بشكل جيد مع المصطلحين الآخرين.

وفي وقت لاحق، في نفس الأطروحة الثامنة، في كتاب الأرصاد الجوية ، تم تطبيق مفهوم الحمل الحراري أيضًا على "العملية التي يتم من خلالها نقل الحرارة من خلال الماء".

اليوم، تستخدم كلمة الحمل الحراري في سياقات أو تطبيقات علمية أو هندسية مختلفة ولكنها ذات صلة.

في ميكانيكا الموائع ، للحمل الحراري معنى أوسع: فهو يشير إلى حركة السوائل الناجمة عن اختلاف الكثافة (أو خاصية أخرى). ^{[2] [3]}

في الديناميكا الحرارية ، يشير الحمل الحراري غالبًا إلى انتقال الحرارة بالحمل الحراري ، حيث يتم استخدام المتغير المُسبق الحمل الحراري الطبيعي للتمييز بين مفهوم الحمل الحراري في ميكانيكا الموائع (المذكور في هذه المقالة) وانتقال الحرارة بالحمل الحراري. ^[4]

يمكن أيضًا الإشارة إلى بعض الظواهر التي تؤدي إلى تأثير مشابه ظاهريًا لتأثير الخلية الحملية (بشكل غير دقيق) على أنها شكل من أشكال الحمل الحراري؛ على سبيل المثال، الحمل الحراري الشعري والحمل الحبيبي .

قد يحدث الحمل الحراري في السوائل بجميع المقاييس التي يزيد حجمها عن بضع ذرات. هناك مجموعة متنوعة من الظروف التي تنشأ فيها القوى اللازمة للحمل الحراري، مما يؤدي إلى أنواع مختلفة من الحمل الحراري، كما هو موضح أدناه. وبعبارات عامة، ينشأ الحمل الحراري بسبب قوى الجسم المؤثرة داخل السائل، مثل الجاذبية.

لا يستشهد هذا القسم بأي مصادر . يُرجى المساعدة في تحسين هذا القسم من خلال إضافة الاستشهادات إلى مصادر موثوقة . قد يتم الطعن في المواد غير الموثقة وإزالتها . ( سبتمبر 2023 ) ( تعرف على كيفية ومتى يمكنك إزالة هذه الرسالة )

الحمل الحراري الطبيعي هو تدفق ناتج عن حركة بعض أجزاء السائل التي تكون أثقل من الأجزاء الأخرى. وفي أغلب الحالات يؤدي هذا إلى الدورة الطبيعية : قدرة السائل في نظام ما على الدوران بشكل مستمر تحت تأثير الجاذبية، مع نقل الطاقة الحرارية.

إن القوة الدافعة للحمل الحراري الطبيعي هي الجاذبية. ففي عمود من السوائل، يزداد الضغط مع العمق بسبب وزن السائل الذي يعلوه. ثم يتجاوز الضغط عند قاع الجسم المغمور الضغط عند قمته، مما ينتج عنه قوة طفو صاعدة صافية تساوي وزن السائل النازح. ثم تغرق الأجسام ذات الكثافة الأعلى من كثافة السائل النازح. على سبيل المثال، ترتفع مناطق الهواء المنخفض الكثافة الأكثر دفئًا، بينما تغرق مناطق الهواء المرتفع الكثافة الأكثر برودة. وهذا يخلق تدفقًا دائريًا: الحمل الحراري.

إن الجاذبية هي التي تحرك الحمل الحراري الطبيعي. وبدون الجاذبية، لا يحدث الحمل الحراري، وبالتالي لا يوجد حمل حراري في بيئات السقوط الحر ( القصور الذاتي )، مثل تلك الموجودة في محطة الفضاء الدولية التي تدور حول الأرض. ويمكن أن يحدث الحمل الحراري الطبيعي عندما تكون هناك مناطق ساخنة وباردة إما من الهواء أو الماء، لأن كل من الماء والهواء يصبحان أقل كثافة مع تسخينهما. ولكن، على سبيل المثال، يحدث الحمل الحراري في محيطات العالم أيضًا بسبب كون الماء المالح أثقل من الماء العذب، وبالتالي فإن طبقة من الماء المالح فوق طبقة من الماء العذب ستتسبب أيضًا في حدوث الحمل الحراري.

لقد جذبت ظاهرة الحمل الحراري الطبيعي قدرًا كبيرًا من الاهتمام من جانب الباحثين نظرًا لوجودها في كل من التطبيقات الطبيعية والهندسية. ففي الطبيعة، تشكل خلايا الحمل الحراري المتكونة من ارتفاع الهواء فوق الأرض أو الماء الدافئين بأشعة الشمس سمة رئيسية لجميع أنظمة الطقس. كما يُرى الحمل الحراري في عمود الهواء الساخن المتصاعد من النار ، وتكتونيات الصفائح ، والتيارات المحيطية ( الدورة الحرارية الملحية )، وتكوين الرياح البحرية (حيث يتم تعديل الحمل الحراري الصاعد أيضًا بواسطة قوى كوريوليس ). وفي التطبيقات الهندسية، يُرى الحمل الحراري عادةً في تكوين البنى الدقيقة أثناء تبريد المعادن المنصهرة، وتدفقات السوائل حول زعانف تبديد الحرارة المخفية، والبرك الشمسية. ومن التطبيقات الصناعية الشائعة جدًا للحمل الحراري الطبيعي تبريد الهواء الحر بدون مساعدة المراوح: يمكن أن يحدث هذا على نطاقات صغيرة (شرائح الكمبيوتر) إلى معدات العمليات واسعة النطاق.

ستكون احتمالات حدوث الحمل الحراري الطبيعي أكبر وأسرع مع وجود تباين أكبر في الكثافة بين السائلين، أو تسارع أكبر بسبب الجاذبية التي تدفع الحمل الحراري أو مسافة أكبر عبر وسط الحمل الحراري. ستكون احتمالات حدوث الحمل الحراري الطبيعي أقل وأقل سرعة مع انتشار أسرع (وبالتالي انتشار التدرج الحراري الذي يسبب الحمل الحراري) أو سائل أكثر لزوجة (لزجًا).

يمكن تحديد بداية الحمل الحراري الطبيعي من خلال رقم رايلي ( Ra ).

قد تنشأ الاختلافات في الطفو داخل السائل لأسباب أخرى غير اختلافات درجة الحرارة، وفي هذه الحالة تسمى حركة السائل بالحمل الحراري الجاذبي (انظر أدناه). ومع ذلك، لا تحدث جميع أنواع الحمل الحراري الطافي، بما في ذلك الحمل الحراري الطبيعي، في بيئات الجاذبية الصغرى . تتطلب جميعها وجود بيئة تتعرض لقوة الجاذبية ( التسارع المناسب ).

الفرق في الكثافة في السائل هو آلية القيادة الرئيسية. إذا كانت الاختلافات في الكثافة ناجمة عن الحرارة، فإن هذه القوة تسمى "الرأس الحراري" أو "رأس القيادة الحرارية". سيحتوي نظام السوائل المصمم للدوران الطبيعي على مصدر حرارة ومشتت حراري . كل منهما على اتصال ببعض السوائل في النظام، ولكن ليس كلها. يتم وضع مصدر الحرارة في مكان أقل من المشتت الحراري.

تتمدد معظم السوائل عند تسخينها، فتصبح أقل كثافة ، وتنكمش عند تبريدها، فتصبح أكثر كثافة. وعند مصدر الحرارة لنظام الدورة الطبيعية، يصبح السائل الساخن أخف من السائل المحيط به، وبالتالي يرتفع. وعند المشتت الحراري، يصبح السائل القريب أكثر كثافة مع تبريده، وينجذب إلى الأسفل بفعل الجاذبية. وتعمل هذه التأثيرات معًا على خلق تدفق للسائل من مصدر الحرارة إلى المشتت الحراري والعودة مرة أخرى.

الحمل الحراري التجاذبي هو نوع من الحمل الحراري الطبيعي الناجم عن تغيرات الطفو الناتجة عن خصائص المواد بخلاف درجة الحرارة. وعادة ما يحدث هذا بسبب التركيب المتغير للسائل. إذا كانت الخاصية المتغيرة عبارة عن تدرج تركيز، فإنها تُعرف باسم الحمل الحراري المذاب . ^[5] على سبيل المثال، يمكن رؤية الحمل الحراري التجاذبي في انتشار مصدر الملح الجاف إلى أسفل في التربة الرطبة بسبب طفو المياه العذبة في المياه المالحة. ^[6]

تعد الملوحة المتغيرة في الماء ومحتوى الماء المتغير في الكتل الهوائية من الأسباب المتكررة للحمل الحراري في المحيطات والغلاف الجوي والتي لا تنطوي على حرارة، أو تنطوي على عوامل كثافة تركيبية إضافية بخلاف تغيرات الكثافة الناتجة عن التمدد الحراري (انظر الدورة الحرارية الملحية ). وبالمثل، فإن التركيب المتغير داخل باطن الأرض والذي لم يحقق بعد أقصى قدر من الاستقرار والحد الأدنى من الطاقة (بعبارة أخرى، مع وجود الأجزاء الأكثر كثافة في أعمق مكان) لا يزال يتسبب في جزء من الحمل الحراري للصخور السائلة والمعادن المنصهرة داخل باطن الأرض (انظر أدناه).

تتطلب الحمل الحراري الجاذبي، مثل الحمل الحراري الطبيعي، أيضًا بيئة ذات قوة جاذبية حتى يحدث.

يُعتقد أن الحمل الحراري الجليدي على بلوتو يحدث في خليط ناعم من جليد النيتروجين وجليد أول أكسيد الكربون . وقد تم اقتراح ذلك أيضًا بالنسبة لأوروبا ، ^[7] والأجسام الأخرى في النظام الشمسي الخارجي. ^[7]

يمكن أن يحدث الحمل الحراري المغناطيسي عندما يتم فرض مجال مغناطيسي خارجي على سائل مغناطيسي ذي قابلية مغناطيسية متفاوتة . وفي وجود تدرج في درجة الحرارة، يؤدي هذا إلى قوة جسم مغناطيسي غير موحدة، مما يؤدي إلى حركة السوائل. السائل المغناطيسي هو سائل يصبح ممغنطًا بقوة في وجود مجال مغناطيسي .

في بيئة انعدام الجاذبية ، لا يمكن أن تكون هناك قوى طفو، وبالتالي لا يمكن حدوث الحمل الحراري، لذا فإن اللهب في العديد من الظروف بدون الجاذبية يختنق في غازاته العادمة الخاصة به. يسمح التمدد الحراري والتفاعلات الكيميائية الناتجة عن تمدد الغازات وانكماشها بتهوية اللهب، حيث يتم إزاحة الغازات العادمة بواسطة غاز بارد وطازج وغني بالأكسجين. يتحرك ليحتل مناطق الضغط المنخفض التي تنشأ عندما يتكثف ماء عادم اللهب.

تشمل أنظمة الدورة الطبيعية الأعاصير وأنظمة الطقس الأخرى والتيارات المحيطية والتهوية المنزلية . تستخدم بعض سخانات المياه الشمسية الدورة الطبيعية. يدور تيار الخليج نتيجة لتبخر الماء. في هذه العملية، تزداد ملوحة الماء وكثافته. في المحيط الأطلسي الشمالي، يصبح الماء كثيفًا لدرجة أنه يبدأ في الغرق.

يحدث الحمل الحراري على نطاق واسع في الغلاف الجوي والمحيطات والأغلفة الكوكبية ، ويوفر آلية نقل الحرارة لجزء كبير من الأجزاء الداخلية الخارجية للشمس وجميع النجوم. قد تكون حركة السوائل أثناء الحمل الحراري بطيئة بشكل غير مرئي، أو قد تكون واضحة وسريعة، كما هو الحال في الإعصار . على المقاييس الفلكية، يُعتقد أن الحمل الحراري للغاز والغبار يحدث في أقراص التراكم للثقوب السوداء ، بسرعات قد تقترب من سرعة الضوء.

يمكن إثبات الحمل الحراري في السوائل عن طريق وضع مصدر حراري (على سبيل المثال، موقد بنسن ) على جانب وعاء يحتوي على سائل. إن إضافة صبغة إلى الماء (مثل تلوين الطعام) سيمكن من تصور التدفق. ^{[8] [9]}

تتضمن تجربة شائعة أخرى لإثبات الحمل الحراري في السوائل غمر حاويات مفتوحة من سائل ساخن وبارد ملون بالصبغة في حاوية كبيرة من نفس السائل بدون صبغة عند درجة حرارة متوسطة (على سبيل المثال، وعاء من ماء الصنبور الساخن ملون باللون الأحمر، وعاء من الماء المبرد في الثلاجة ملون باللون الأزرق، يتم إنزاله في خزان صافٍ من الماء في درجة حرارة الغرفة). ^[10]

الطريقة الثالثة هي استخدام جرتين متطابقتين، واحدة مملوءة بماء ساخن مصبوغ بلون واحد، وماء بارد بلون آخر. ثم يتم غلق إحدى الجرتين مؤقتًا (على سبيل المثال، بقطعة من الورق المقوى)، ثم قلبها ووضعها فوق الأخرى. عند إزالة البطاقة، إذا تم وضع الجرة التي تحتوي على السائل الأكثر دفئًا في الأعلى، فلن يحدث الحمل الحراري. إذا تم وضع الجرة التي تحتوي على سائل أكثر برودة في الأعلى، سيتشكل تيار الحمل الحراري تلقائيًا. ^[11]

يمكن إثبات الحمل الحراري في الغازات باستخدام شمعة في مساحة محكمة الغلق مع منفذ دخول وخروج. ستتسبب الحرارة المنبعثة من الشمعة في حدوث تيار حمل حراري قوي يمكن إثباته باستخدام مؤشر تدفق، مثل الدخان المنبعث من شمعة أخرى، والذي يتم إطلاقه بالقرب من مناطق الدخول والخروج على التوالي. ^[12]

خلية الحمل الحراري ، والمعروفة أيضًا بخلية بينارد ، هي نمط تدفق سائل مميز في العديد من أنظمة الحمل الحراري. يفقد الجسم السائل الصاعد الحرارة عادةً لأنه يواجه سطحًا أكثر برودة. في السائل، يحدث هذا لأنه يتبادل الحرارة مع سائل أكثر برودة من خلال التبادل المباشر. في مثال الغلاف الجوي للأرض، يحدث هذا لأنه يشع الحرارة. بسبب فقدان الحرارة هذا، يصبح السائل أكثر كثافة من السائل تحته، والذي لا يزال يرتفع. نظرًا لأنه لا يمكنه النزول عبر السائل الصاعد، فإنه يتحرك إلى جانب واحد. على مسافة ما، تتغلب قوته الهابطة على القوة الصاعدة تحته، ويبدأ السائل في النزول. أثناء نزوله، يسخن مرة أخرى وتتكرر الدورة. بالإضافة إلى ذلك، يمكن أن تنشأ خلايا الحمل الحراري بسبب اختلافات الكثافة الناتجة عن الاختلافات في تكوين الإلكتروليتات. ^[13]

الدورة الجوية هي حركة الهواء على نطاق واسع، وهي وسيلة يتم من خلالها توزيع الطاقة الحرارية على سطح الأرض ، جنبًا إلى جنب مع نظام الدورة المحيطية الأبطأ كثيرًا (المتأخر). يختلف الهيكل واسع النطاق للدورة الجوية من عام إلى آخر، لكن الهيكل المناخي الأساسي يظل ثابتًا إلى حد ما.

تحدث الدورة العرضية لأن الإشعاع الشمسي الساقط لكل وحدة مساحة يكون أعلى عند خط الاستواء الحراري ، وينخفض ​​مع زيادة خط العرض ، ليصل إلى أدنى مستوياته عند القطبين. وتتكون من خليتين رئيسيتين للحمل الحراري، خلية هادلي والدوامة القطبية ، حيث تتعرض خلية هادلي لحمل حراري أقوى بسبب إطلاق طاقة الحرارة الكامنة عن طريق تكثيف بخار الماء على ارتفاعات أعلى أثناء تكوين السحب.

من ناحية أخرى، تنشأ الدورة الطولية لأن المحيط يتمتع بسعة حرارية نوعية أعلى من الأرض (وكذلك التوصيل الحراري ، مما يسمح للحرارة بالتغلغل أكثر تحت السطح) وبالتالي يمتص ويطلق المزيد من الحرارة ، ولكن درجة الحرارة تتغير بدرجة أقل من الأرض. هذا يجلب نسيم البحر، الهواء المبرد بالماء، إلى الشاطئ في النهار، ويحمل نسيم الأرض، الهواء المبرد عن طريق ملامسة الأرض، إلى البحر أثناء الليل. تتكون الدورة الطولية من خليتين، دورة ووكر وظاهرة النينيو / التذبذب الجنوبي .

بعض الظواهر الأكثر محلية من الحركة الجوية العالمية ترجع أيضًا إلى الحمل الحراري، بما في ذلك الرياح وبعض الدورة الهيدرولوجية . على سبيل المثال، رياح الفهن هي رياح تنحدر إلى أسفل المنحدر تحدث على الجانب المواجه للريح من سلسلة جبلية. وهي تنتج عن الاحترار الأدياباتي للهواء الذي أسقط معظم رطوبته على المنحدرات المواجهة للريح. ^[14] وبسبب معدلات الانحدار الأدياباتي المختلفة للهواء الرطب والجاف، يصبح الهواء على المنحدرات المواجهة للريح أكثر دفئًا من نفس الارتفاع على المنحدرات المواجهة للريح.

العمود الحراري (أو الحراري) هو قسم رأسي من الهواء الصاعد في الارتفاعات المنخفضة من الغلاف الجوي للأرض. تنشأ التيارات الحرارية بسبب التسخين غير المتساوي لسطح الأرض من الإشعاع الشمسي. تدفئ الشمس الأرض، والتي بدورها تدفئ الهواء الموجود فوقها مباشرة. يتمدد الهواء الأكثر دفئًا، ويصبح أقل كثافة من كتلة الهواء المحيطة، مما يخلق منخفضًا حراريًا . ^{[15] [16]} ترتفع كتلة الهواء الأخف وزناً، وبينما تفعل ذلك، تبرد عن طريق التمدد عند ضغوط هواء أقل. تتوقف عن الارتفاع عندما تبرد إلى نفس درجة حرارة الهواء المحيط. يرتبط بالعمود الحراري تدفق هابط يحيط بالعمود الحراري. يحدث الجزء الخارجي المتحرك لأسفل بسبب إزاحة الهواء البارد في الجزء العلوي من العمود الحراري. تأثير طقس آخر مدفوع بالحمل الحراري هو نسيم البحر . ^{[17] [18]}

الهواء الدافئ له كثافة أقل من الهواء البارد، لذلك يرتفع الهواء الدافئ داخل الهواء البارد، ^[19] على غرار بالونات الهواء الساخن . ^[20] تتشكل السحب عندما يرتفع الهواء الدافئ نسبيًا الذي يحمل الرطوبة داخل الهواء البارد. عندما يرتفع الهواء الرطب، فإنه يبرد، مما يتسبب في تكاثف بعض بخار الماء في حزمة الهواء الصاعدة . ^[21] عندما تتكثف الرطوبة، فإنها تطلق طاقة تُعرف باسم الحرارة الكامنة للتكثيف والتي تسمح لحزمة الهواء الصاعدة بالتبريد بدرجة أقل من الهواء المحيط بها، ^[22] مما يستمر في صعود السحابة. إذا كان هناك عدم استقرار كافٍ في الغلاف الجوي، فستستمر هذه العملية لفترة كافية لتكوين سحب الرعد الركامية ، والتي تدعم البرق والرعد. بشكل عام، تتطلب العواصف الرعدية ثلاثة شروط للتشكل: الرطوبة وكتلة هوائية غير مستقرة وقوة رفع (حرارة).

تمر جميع العواصف الرعدية ، بغض النظر عن نوعها، بثلاث مراحل: مرحلة التطور ، ومرحلة النضج ، ومرحلة التبدد . ^[23] يبلغ قطر العاصفة الرعدية المتوسطة 24 كم (15 ميلاً). واعتمادًا على الظروف الموجودة في الغلاف الجوي، تستغرق هذه المراحل الثلاث في المتوسط ​​30 دقيقة لتمر. ^[24]

يؤثر الإشعاع الشمسي على المحيطات: حيث تميل المياه الدافئة من خط الاستواء إلى الدوران نحو القطبين ، بينما تتجه المياه القطبية الباردة نحو خط الاستواء. وتتحدد التيارات السطحية في البداية من خلال ظروف الرياح السطحية. تهب الرياح التجارية غربًا في المناطق الاستوائية، ^[25] وتهب الرياح الغربية شرقًا عند خطوط العرض المتوسطة. ^[26] يفرض نمط الرياح هذا ضغطًا على سطح المحيط شبه الاستوائي مع تجعيد سلبي عبر نصف الكرة الشمالي ، ^[27] والعكس عبر نصف الكرة الجنوبي . ويكون نقل سفيردروب الناتج نحو خط الاستواء. ^[28] بسبب الحفاظ على الدوامة المحتملة التي تسببها الرياح القطبية على المحيط الغربي للتلال شبه الاستوائية والدوامة النسبية المتزايدة للمياه القطبية المتحركة، يتم موازنة النقل بتيار قطبي ضيق ومتسارع، يتدفق على طول الحدود الغربية لحوض المحيط، ويتفوق على تأثيرات الاحتكاك مع تيار الحدود الغربية البارد الذي ينشأ من خطوط العرض العالية. ^[29] تتسبب العملية الإجمالية، المعروفة باسم التكثيف الغربي، في أن تكون التيارات على الحدود الغربية لحوض المحيط أقوى من تلك الموجودة على الحدود الشرقية. ^[30]

مع انتقالها نحو القطبين، تخضع المياه الدافئة التي تنقلها تيارات المياه الدافئة القوية للتبريد التبخيري. يتم التبريد بواسطة الرياح: تعمل الرياح التي تتحرك فوق المياه على تبريد المياه وتسبب أيضًا التبخر ، مما يترك محلولًا ملحيًا أكثر ملوحة. في هذه العملية، يصبح الماء أكثر ملوحة وكثافة. وتنخفض درجة حرارته. بمجرد تكوين الجليد البحري، تُترك الأملاح خارج الجليد، وهي العملية المعروفة باسم استبعاد المحلول الملحي. ^[31] تنتج هاتان العمليتان مياهًا أكثر كثافة وبرودة. تصبح المياه عبر المحيط الأطلسي الشمالي كثيفة لدرجة أنها تبدأ في الغرق عبر مياه أقل ملوحة وأقل كثافة. (هذا الحمل الحراري في المحيط المفتوح لا يختلف عن مصباح الحمم البركانية ). يصبح هذا التيار الهابط من المياه الثقيلة والباردة والكثيفة جزءًا من المياه العميقة في شمال الأطلسي ، وهو تيار متجه نحو الجنوب. ^[32]

الحمل الحراري هو الحركة البطيئة الزاحفة للوشاح الصخري للأرض والتي تسببها تيارات الحمل الحراري التي تحمل الحرارة من داخل الأرض إلى السطح. ^[33] إنها واحدة من ثلاث قوى دافعة تسبب تحرك الصفائح التكتونية حول سطح الأرض. ^[34]

ينقسم سطح الأرض إلى عدد من الصفائح التكتونية التي يتم إنشاؤها واستهلاكها باستمرار عند حدود الصفائح المقابلة لها. يحدث الإنشاء ( التراكم ) عندما يضاف الوشاح إلى الحواف المتنامية للوحة. تبرد هذه المادة المضافة الساخنة عن طريق التوصيل والحمل الحراري. عند حواف الاستهلاك للوحة، تنكمش المادة حرارياً لتصبح كثيفة، وتغرق تحت وزنها الخاص في عملية الاندساس في خندق المحيط. تغرق هذه المادة المندسة إلى عمق ما في باطن الأرض حيث يُمنع من الغرق أكثر. تؤدي القشرة المحيطية المندسة إلى نشاط بركاني.

الحمل الحراري داخل وشاح الأرض هو القوة الدافعة لتكتونيات الصفائح . الحمل الحراري في الوشاح هو نتيجة لتدرج حراري: الوشاح السفلي أكثر سخونة من الوشاح العلوي ، وبالتالي فهو أقل كثافة. وهذا يؤدي إلى نوعين رئيسيين من عدم الاستقرار. في النوع الأول، ترتفع الأعمدة من الوشاح السفلي، وتتساقط المناطق غير المستقرة المقابلة من الغلاف الصخري مرة أخرى إلى الوشاح. في النوع الثاني، تغوص الصفائح المحيطية المندسة (التي تشكل إلى حد كبير الطبقة الحدودية الحرارية العليا للوشاح) مرة أخرى إلى الوشاح وتتحرك إلى أسفل نحو حدود اللب والوشاح . يحدث الحمل الحراري في الوشاح بمعدلات سنتيمترات في السنة، ويستغرق الأمر مئات الملايين من السنين لإكمال دورة الحمل الحراري.

تُظهر قياسات تدفق النيوترينو من قلب الأرض (انظر kamLAND ) أن مصدر حوالي ثلثي الحرارة في القلب الداخلي هو الاضمحلال الإشعاعي لـ ⁴⁰ K واليورانيوم والثوريوم. وقد سمح هذا باستمرار الصفائح التكتونية على الأرض لفترة أطول بكثير مما كانت لتستمر لو كانت مدفوعة ببساطة بالحرارة المتبقية من تكوين الأرض؛ أو بالحرارة الناتجة عن الطاقة الكامنة الجاذبية ، نتيجة لإعادة الترتيب الفيزيائي للأجزاء الأكثر كثافة من باطن الأرض نحو مركز الكوكب (أي نوع من السقوط والاستقرار المطول).

تأثير المداخن أو تأثير المدخنة هو حركة الهواء داخل وخارج المباني أو المداخن أو مداخن غازات الاحتراق أو الحاويات الأخرى بسبب الطفو. يحدث الطفو بسبب اختلاف كثافة الهواء الداخلي والخارجي الناتج عن اختلافات درجة الحرارة والرطوبة. كلما زاد الفرق الحراري وارتفاع الهيكل، زادت قوة الطفو، وبالتالي تأثير المداخن. يساعد تأثير المداخن في دفع التهوية الطبيعية والتسلل. تعمل بعض أبراج التبريد وفقًا لهذا المبدأ؛ وبالمثل، فإن برج التيار الصاعد الشمسي هو جهاز مقترح لتوليد الكهرباء بناءً على تأثير المداخن.

منطقة الحمل الحراري للنجم هي نطاق الأقطار التي تنتقل فيها الطاقة إلى الخارج من منطقة القلب بشكل أساسي عن طريق الحمل الحراري وليس الإشعاع . يحدث هذا عند الأقطار التي تكون معتمة بدرجة كافية بحيث يكون الحمل الحراري أكثر كفاءة من الإشعاع في نقل الطاقة. ^[35]

الحبيبات الموجودة على الغلاف الضوئي للشمس هي قمم مرئية لخلايا الحمل الحراري في الغلاف الضوئي، والتي تنتج عن الحمل الحراري للبلازما في الغلاف الضوئي. يقع الجزء الصاعد من الحبيبات في المركز حيث تكون البلازما أكثر سخونة. والحافة الخارجية للحبيبات أغمق بسبب البلازما الأكثر برودة. يبلغ قطر الحبيبة النموذجية حوالي 1000 كيلومتر وتدوم كل منها من 8 إلى 20 دقيقة قبل أن تتبدد. توجد أسفل الغلاف الضوئي طبقة من "حبيبات فائقة" أكبر بكثير يصل قطرها إلى 30000 كيلومتر، ويبلغ عمرها الافتراضي 24 ساعة.

الماء هو سائل لا يتبع تقريب بوسينسك. ^[36] وذلك لأن كثافته تتغير بشكل غير خطي مع درجة الحرارة، مما يتسبب في عدم اتساق معامل التمدد الحراري الخاص به بالقرب من درجات حرارة التجمد. ^{[37] [38]} تصل كثافة الماء إلى أقصى حد عند 4 درجات مئوية وتنخفض مع انحراف درجة الحرارة. يتم التحقيق في هذه الظاهرة من خلال التجربة والطرق العددية. ^[36] يكون الماء راكدًا في البداية عند 10 درجات مئوية داخل تجويف مربع. يتم تسخينه بشكل تفاضلي بين الجدارين الرأسيين، حيث يتم تثبيت الجدارين الأيسر والأيمن عند 10 درجات مئوية و 0 درجة مئوية على التوالي. تتجلى شذوذ الكثافة في نمط تدفقه. ^{[36] [39] [40] [41]} مع تبريد الماء عند الجدار الأيمن، تزداد الكثافة، مما يؤدي إلى تسريع التدفق إلى الأسفل. مع تطور التدفق وتبريد الماء أكثر، يتسبب انخفاض الكثافة في حدوث تيار إعادة تدوير في الزاوية اليمنى السفلية للتجويف.

حالة أخرى لهذه الظاهرة هي حدث التبريد الفائق ، حيث يتم تبريد الماء إلى درجات حرارة أقل من التجمد ولكنه لا يبدأ في التجمد على الفور. ^{[38] [42]} تحت نفس الظروف كما في السابق، يتطور التدفق. بعد ذلك، تنخفض درجة حرارة الجدار الأيمن إلى -10 درجة مئوية. يتسبب هذا في أن يصبح الماء عند هذا الجدار شديد التبريد، مما يخلق تدفقًا عكس اتجاه عقارب الساعة، ويتغلب في البداية على التيار الدافئ. ^[36] يحدث هذا العمود بسبب تأخير في تكوين الجليد . ^{[36] [38] [42]} بمجرد أن يبدأ الجليد في التكون، يعود التدفق إلى نمط مماثل لما كان عليه من قبل وينتشر التصلب تدريجيًا حتى يتطور التدفق مرة أخرى. ^[36]

في المفاعل النووي ، يمكن أن تكون الدورة الطبيعية معيارًا للتصميم. ويتحقق ذلك من خلال تقليل الاضطرابات والاحتكاك في تدفق السوائل (أي تقليل فقدان الرأس )، ومن خلال توفير طريقة لإزالة أي مضخات معطلة من مسار السوائل. أيضًا، يجب أن يكون المفاعل (كمصدر للحرارة) أدنى فعليًا من مولدات البخار أو التوربينات (المشتت الحراري). وبهذه الطريقة، سيضمن الدوران الطبيعي استمرار تدفق السائل طالما أن المفاعل أكثر سخونة من المشتت الحراري، حتى عندما لا يمكن توفير الطاقة للمضخات. ومن الأمثلة البارزة مفاعلات البحرية الأمريكية S5G ^{[43] [44] [45]} و S8G ^{[46] [47] [48]} ، والتي صُممت للعمل بنسبة كبيرة من الطاقة الكاملة في ظل الدورة الطبيعية، مما يؤدي إلى تهدئة محطات الدفع هذه. لا يمكن لمفاعل S6G العمل بالطاقة في ظل الدورة الطبيعية، ولكن يمكنه استخدامها للحفاظ على التبريد في حالات الطوارئ أثناء الإغلاق.

بطبيعة الدورة الطبيعية، لا تتحرك السوائل عادة بسرعة كبيرة، ولكن هذا ليس بالضرورة أمراً سيئاً، حيث إن معدلات التدفق العالية ليست ضرورية لتشغيل المفاعل بشكل آمن وفعال. في المفاعلات النووية ذات التصميم الحديث، يكاد يكون عكس التدفق مستحيلاً. تحتوي جميع المفاعلات النووية، حتى تلك المصممة لاستخدام الدورة الطبيعية في المقام الأول كطريقة رئيسية لدوران السوائل، على مضخات يمكنها تدوير السوائل في حالة عدم كفاية الدورة الطبيعية.

تم اشتقاق عدد من المصطلحات عديمة الأبعاد لوصف الحمل الحراري والتنبؤ به، بما في ذلك رقم أرخميدس ، ورقم جراشوف ، ورقم ريتشاردسون ، ورقم رايلي .

في حالات الحمل الحراري المختلط (الطبيعي والقسري الذي يحدثان معًا)، غالبًا ما يرغب المرء في معرفة مقدار الحمل الحراري الناتج عن القيود الخارجية، مثل سرعة السائل في المضخة، ومقدار الحمل الحراري الطبيعي الذي يحدث في النظام.

تحدد القيم النسبية لرقم غراشوف ومربع رقم رينولدز أي شكل من أشكال الحمل الحراري هو السائد. إذا كان ، يمكن إهمال الحمل الحراري القسري، بينما إذا كان ، يمكن إهمال الحمل الحراري الطبيعي. إذا كانت النسبة، المعروفة باسم رقم ريتشاردسون ، تساوي تقريبًا واحدًا، فيجب أخذ الحمل الحراري القسري والطبيعي في الاعتبار. ${\displaystyle {\rm {Gr/Re^{2}\gg 1}}}$${\displaystyle {\rm {Gr/Re^{2}\ll 1}}}$

يتم تحديد بداية الحمل الحراري الطبيعي من خلال رقم رايلي ( Ra ). هذا الرقم بلا أبعاد يعطى بواسطة

${\displaystyle {\textbf {Ra}}={\frac {\Delta \rho gL^{3}}{D\mu }}}$

أين

• ${\displaystyle \دلتا \rho }$هو الفرق في الكثافة بين قطعتي المادة المختلطتين
• ${\displaystyle g}$هو تسارع الجاذبية المحلية
• ${\displaystyle L}$هو مقياس الطول المميز للحمل الحراري: عمق وعاء الغليان، على سبيل المثال
• ${\displaystyle D}$هي انتشارية الخاصية التي تسبب الحمل الحراري، و
• ${\displaystyle \mu }$هي اللزوجة الديناميكية .

ستكون احتمالات حدوث الحمل الحراري الطبيعي أكبر و/أو أسرع مع وجود تباين أكبر في الكثافة بين السائلين، وتسارع أكبر بسبب الجاذبية التي تدفع الحمل الحراري، و/أو مسافة أكبر عبر وسط الحمل الحراري. ستكون احتمالات حدوث الحمل الحراري أقل و/أو أقل سرعة مع انتشار أسرع (وبالتالي انتشار التدرج الذي يسبب الحمل الحراري) و/أو سائل أكثر لزوجة (لزجة).

بالنسبة للحمل الحراري الناتج عن التسخين من الأسفل، كما هو موضح في وعاء الغليان أعلاه، يتم تعديل المعادلة للتمدد الحراري والانتشار الحراري. يتم إعطاء الاختلافات في الكثافة الناتجة عن التمدد الحراري بواسطة:

${\displaystyle \Delta \rho =\rho _{0}\beta \Delta T}$

أين

• ${\displaystyle \rho _{0}}$هي الكثافة المرجعية، والتي يتم اختيارها عادةً لتكون الكثافة المتوسطة للوسط،
• ${\displaystyle \beta }$هو معامل التمدد الحراري ، و
• ${\displaystyle \دلتا ت}$هو الفرق في درجات الحرارة عبر الوسط.

يتم إعادة تعريف الانتشار العام، ، على أنه انتشار حراري ، . ${\displaystyle D}$${\displaystyle \alpha }$

${\displaystyle D=\alpha }$

يؤدي إدخال هذه الاستبدالات إلى إنتاج رقم رايلي الذي يمكن استخدامه للتنبؤ بالحمل الحراري. ^[49]

${\displaystyle {\textbf {Ra}}={\frac {\rho _{0}g\beta \Delta TL^{3}}{\alpha \mu }}}$

يعتمد ميل نظام الحمل الحراري الطبيعي المعين نحو الاضطراب على رقم جراشوف (Gr). ^[50]

${\displaystyle Gr={\frac {g\beta \Delta TL^{3}}{\nu ^{2}}}}$

في السوائل اللزجة جدًا ( ν كبيرة )، تكون حركة السوائل مقيدة، والحمل الحراري الطبيعي سيكون غير مضطرب.

وبعد معالجة القسم الفرعي السابق، تكون سرعة السائل النموذجية من رتبة ، حتى عامل عددي يعتمد على هندسة النظام. لذلك، يمكن اعتبار رقم غراشوف بمثابة رقم رينولدز مع استبدال سرعة الحمل الحراري الطبيعي بالسرعة في صيغة رقم رينولدز. ومع ذلك، في الممارسة العملية، عند الإشارة إلى رقم رينولدز، يُفهم أن المرء يأخذ في الاعتبار الحمل الحراري القسري، وتُعتبر السرعة هي السرعة التي تمليها القيود الخارجية (انظر أدناه). ${\displaystyle g\Delta \rho L^{2}/\mu }$

يمكن صياغة رقم غراشوف للحمل الحراري الطبيعي الذي يحدث بسبب تدرج التركيز ، والذي يُطلق عليه أحيانًا الحمل الحراري المذاب. في هذه الحالة، ينتشر تركيز السائل الساخن في سائل بارد، بنفس الطريقة التي ينتشر بها الحبر المسكوب في وعاء من الماء لصبغ المساحة بالكامل. ثم:

${\displaystyle Gr={\frac {g\beta \Delta CL^{3}}{\nu ^{2}}}}$

يعتمد الحمل الحراري الطبيعي بشكل كبير على هندسة السطح الساخن، وهناك ارتباطات مختلفة لتحديد معامل انتقال الحرارة. الارتباط العام الذي ينطبق على مجموعة متنوعة من الأشكال الهندسية هو

${\displaystyle Nu=\left[Nu_{0}^{\frac {1}{2}}+Ra^{\frac {1}{6}}\left({\frac {f_{4}\left(Pr\right)}{300}}\right)^{\frac {1}{6}}\right]^{2}}$

يتم حساب قيمة f ₄ (Pr) باستخدام الصيغة التالية

${\displaystyle f_{4}(Pr)=\left[1+\left({\frac {0.5}{Pr}}\right)^{\frac {9}{16}}\right]^{\frac {-16}{9}}}$

Nu هو رقم نوسلت وقيم Nu ₀ والطول المميز المستخدم لحساب Re مدرجة أدناه (انظر أيضًا المناقشة):

الهندسة	الطول المميز	نو 0
المستوى المائل	x (المسافة على طول المستوى)	0.68
القرص المائل	9د/11 (د = القطر)	0.56
اسطوانة عمودية	x (ارتفاع الاسطوانة)	0.68
مخروط	4x/5 (x = المسافة على طول السطح المائل)	0.54
اسطوانة افقية	${\displaystyle \pi D/2}$(د = قطر الاسطوانة)	0.36${\displaystyle \pi }$

تحذير : القيم المشار إليها للأسطوانة الأفقية خاطئة ؛ راجع المناقشة.

أحد الأمثلة على الحمل الحراري الطبيعي هو انتقال الحرارة من صفيحة رأسية متساوية الحرارة مغمورة في سائل، مما يتسبب في تحرك السائل بشكل موازٍ للوحة. سيحدث هذا في أي نظام حيث تختلف كثافة السائل المتحرك باختلاف الموضع. لن تكون هذه الظواهر ذات أهمية إلا عندما يتأثر السائل المتحرك بشكل طفيف بالحمل الحراري القسري. ^[51]

عند اعتبار تدفق السائل نتيجة للتسخين، يمكن استخدام الارتباطات التالية، على افتراض أن السائل هو ثنائي الذرة المثالي، ويجاور صفيحة رأسية عند درجة حرارة ثابتة وأن تدفق السائل رقائقي تمامًا. ^[52]

عدد _م = 0.478(جرام ^0.25 ) ^[52]

متوسط ​​رقم نوسلت = Nu _m = h _m L/k ^[52]

أين

• hm = متوسط ​​المعامل المطبق بين الحافة السفلية للوحة وأي نقطة على مسافة L (W/m ₂ ^. K)
• L = ارتفاع السطح الرأسي (م)
• ك = الموصلية الحرارية (وات/م. ك)

رقم غراشوف = غراشوف = ^{[51] [52]}${\displaystyle [gL^{3}(t_{s}-t_{\infty })]/v^{2}T}$

أين

• g = تسارع الجاذبية (م/ث ² )
• L = المسافة فوق الحافة السفلية (م)
• t _s = درجة حرارة الجدار (K)
• t∞ = درجة حرارة السائل خارج طبقة الحدود الحرارية (K)
• v = اللزوجة الحركية للسائل (م ² /ثانية)
• T = درجة الحرارة المطلقة (K)

عندما يكون التدفق مضطربًا، يجب استخدام ارتباطات مختلفة تتضمن رقم رايلي (دالة لكل من رقم جراشوف ورقم براندتل ). ^[52]

لاحظ أن المعادلة أعلاه تختلف عن التعبير المعتاد لرقم غراشوف لأن القيمة تم استبدالها بتقريبها ، والذي ينطبق على الغازات المثالية فقط (تقريب معقول للهواء عند الضغط المحيط). ${\displaystyle \beta }$${\displaystyle 1/T}$

الحمل الحراري، وخاصة حمل رايلي-بينارد ، حيث يتم احتواء السائل الحامل بواسطة لوحين أفقيين صلبين، هو مثال مناسب لنظام تشكيل النمط .

عندما يتم تغذية الحرارة في النظام من اتجاه واحد (عادةً أدناه)، عند قيم صغيرة فإنها تنتشر ( توصل ) من الأسفل إلى الأعلى، دون التسبب في تدفق السوائل. مع زيادة تدفق الحرارة، فوق قيمة حرجة لرقم رايلي ، يخضع النظام لانقسام من حالة التوصيل المستقرة إلى حالة الحمل الحراري ، حيث تبدأ الحركة الكلية للسائل بسبب الحرارة. إذا كانت معلمات السائل بخلاف الكثافة لا تعتمد بشكل كبير على درجة الحرارة، فإن نمط التدفق يكون متماثلًا، مع نفس حجم السائل الصاعد كما هو الحال عند الهبوط. يُعرف هذا باسم الحمل الحراري لبوسينسك .

مع ارتفاع فرق درجة الحرارة بين أعلى وأسفل السائل، قد تتطور فروق كبيرة في معلمات السائل بخلاف الكثافة في السائل بسبب درجة الحرارة. ومن الأمثلة على هذه المعلمة اللزوجة ، والتي قد تبدأ في التغير بشكل كبير أفقيًا عبر طبقات السائل. وهذا يكسر تناسق النظام، ويغير بشكل عام نمط السائل المتحرك لأعلى ولأسفل من خطوط إلى مسدسات، كما هو موضح على اليمين. مثل هذه المسدسات هي مثال على خلية الحمل الحراري .

مع زيادة رقم رايلي بشكل أكبر فوق القيمة التي تظهر عندها خلايا الحمل الحراري لأول مرة، قد يخضع النظام لتشعبات أخرى، وقد تبدأ أنماط أخرى أكثر تعقيدًا، مثل الحلزونات ، في الظهور.