الحمل الحراري (انتقال الحرارة)

الحمل الحراري (أو انتقال الحرارة بالحمل الحراري ) هو انتقال الحرارة من مكان إلى آخر بسبب حركة السوائل. وعلى الرغم من مناقشته غالبًا كطريقة مميزة لانتقال الحرارة، فإن انتقال الحرارة بالحمل الحراري ينطوي على العمليات المشتركة للتوصيل (انتشار الحرارة) والحمل الحراري (انتقال الحرارة عن طريق تدفق السوائل بكميات كبيرة). وعادةً ما يكون الحمل الحراري هو الشكل السائد لانتقال الحرارة في السوائل والغازات .

لاحظ أن هذا التعريف للحمل الحراري لا ينطبق إلا في سياقات انتقال الحرارة والديناميكية الحرارية . ولا ينبغي الخلط بينه وبين ظاهرة السوائل الديناميكية للحمل الحراري ، والتي يشار إليها عادةً بالحمل الحراري الطبيعي في السياقات الديناميكية الحرارية من أجل التمييز بين الاثنين.

يمكن "إجبار" الحمل الحراري عن طريق حركة سائل بوسائل أخرى غير قوى الطفو (على سبيل المثال، مضخة مياه في محرك سيارة). قد يفرض التمدد الحراري للسوائل الحمل الحراري أيضًا. في حالات أخرى، تكون قوى الطفو الطبيعية وحدها مسؤولة تمامًا عن حركة السائل عند تسخين السائل، وتسمى هذه العملية "الحمل الحراري الطبيعي". ومن الأمثلة على ذلك المسودة في المدخنة أو حول أي نار. في الحمل الحراري الطبيعي، يؤدي ارتفاع درجة الحرارة إلى انخفاض في الكثافة، مما يتسبب بدوره في حركة السوائل بسبب الضغوط والقوى عندما تتأثر السوائل ذات الكثافات المختلفة بالجاذبية (أو أي قوة جي ). على سبيل المثال، عند تسخين الماء على موقد ، يتم إزاحة الماء الساخن من قاع المقلاة (أو إجباره على الارتفاع) بواسطة السائل الأكثر برودة والأكثر كثافة، والذي يسقط. بعد توقف التسخين، يؤدي الاختلاط والتوصيل من 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. ^{[ بحاجة لمصدر ]}

يشتمل نمط نقل الحرارة بالحمل الحراري على آليتين. بالإضافة إلى نقل الطاقة بسبب الحركة الجزيئية المحددة ( الانتشار )، تنتقل الطاقة عن طريق الحركة الكلية أو العيانية للسائل. ترتبط هذه الحركة بحقيقة أنه في أي لحظة، تتحرك أعداد كبيرة من الجزيئات بشكل جماعي أو كمجموعات. تساهم هذه الحركة، في وجود تدرج في درجة الحرارة، في نقل الحرارة. نظرًا لأن الجزيئات في المجموع تحتفظ بحركتها العشوائية، فإن انتقال الحرارة الكلي يرجع بعد ذلك إلى تراكب نقل الطاقة عن طريق الحركة العشوائية للجزيئات والحركة الكلية للسائل. من المعتاد استخدام مصطلح الحمل الحراري عند الإشارة إلى هذا النقل التراكمي ومصطلح الحمل الحراري عند الإشارة إلى النقل بسبب حركة السائل الكلية. ^[1]

يمكن التمييز بين نوعين من انتقال الحرارة بالحمل:

• الحمل الحراري الحر أو الطبيعي : عندما تحدث حركة السوائل بسبب قوى الطفو الناتجة عن تغيرات الكثافة بسبب تغيرات درجة الحرارة الحرارية ± في السائل. في حالة عدم وجود مصدر داخلي، عندما يكون السائل على اتصال بسطح ساخن، تنفصل جزيئاته وتتناثر، مما يتسبب في أن يكون السائل أقل كثافة. ونتيجة لذلك، ينزاح السائل بينما يصبح السائل الأكثر برودة أكثر كثافة ويغرق السائل. وبالتالي، ينقل الحجم الأكثر سخونة الحرارة نحو الحجم الأكثر برودة لهذا السائل. ^[2] ومن الأمثلة المألوفة تدفق الهواء لأعلى بسبب حريق أو جسم ساخن ودوران الماء في وعاء يتم تسخينه من الأسفل.
• الحمل الحراري القسري : عندما يتم إجبار السائل على التدفق فوق السطح بواسطة مصدر داخلي مثل المراوح، عن طريق التحريك، والمضخات، مما يؤدي إلى إنشاء تيار حمل حراري مستحث بشكل مصطنع. ^[3]

في العديد من تطبيقات الحياة الواقعية (على سبيل المثال، خسائر الحرارة في أجهزة الاستقبال المركزية الشمسية أو تبريد الألواح الكهروضوئية)، يحدث الحمل الحراري الطبيعي والقسري في نفس الوقت ( الحمل الحراري المختلط ). ^[4]

يمكن أيضًا تصنيف التدفق الداخلي والخارجي بالحمل الحراري. يحدث التدفق الداخلي عندما يكون السائل محاطًا بحدود صلبة مثل التدفق عبر أنبوب. يحدث التدفق الخارجي عندما يمتد السائل إلى ما لا نهاية دون مواجهة سطح صلب. يمكن أن يكون كلا النوعين من الحمل الحراري، سواء كان طبيعيًا أو قسريًا، داخليًا أو خارجيًا لأنهما مستقلان عن بعضهما البعض. ^{[ بحاجة لمصدر ]} درجة الحرارة العامة ، أو متوسط ​​درجة حرارة السائل، هي نقطة مرجعية ملائمة لتقييم الخصائص المتعلقة بنقل الحرارة الحملية، وخاصة في التطبيقات المتعلقة بالتدفق في الأنابيب والقنوات.

يمكن إجراء تصنيف إضافي اعتمادًا على نعومة وتموجات الأسطح الصلبة. ليست كل الأسطح ناعمة، على الرغم من أن الجزء الأكبر من المعلومات المتاحة يتعامل مع الأسطح الملساء. غالبًا ما توجد الأسطح المتموجة غير المنتظمة في أجهزة نقل الحرارة التي تشمل المجمعات الشمسية والمبادلات الحرارية المتجددة وأنظمة تخزين الطاقة تحت الأرض. تلعب دورًا مهمًا في عمليات نقل الحرارة في هذه التطبيقات. نظرًا لأنها تجلب تعقيدًا إضافيًا بسبب التموجات في الأسطح، فيجب التعامل معها ببراعة رياضية من خلال تقنيات التبسيط الأنيقة. كما أنها تؤثر على خصائص التدفق ونقل الحرارة، وبالتالي تتصرف بشكل مختلف عن الأسطح الملساء المستقيمة. ^[5]

للحصول على تجربة بصرية للحمل الحراري الطبيعي، يمكن وضع كوب مملوء بالماء الساخن وبعض الصبغة الغذائية الحمراء داخل حوض سمك يحتوي على ماء بارد وصافٍ. يمكن رؤية تيارات الحمل الحراري للسائل الأحمر وهي ترتفع وتنخفض في مناطق مختلفة، ثم تستقر في النهاية، مما يوضح العملية مع تبدد تدرجات الحرارة.

يُفترض أحيانًا بشكل فضفاض أن التبريد بالحمل الحراري يتم وصفه من خلال قانون نيوتن للتبريد. ^[6]

ينص قانون نيوتن على أن معدل فقدان الحرارة لجسم يتناسب مع الفرق في درجات الحرارة بين الجسم ومحيطه أثناء تعرضه لتأثيرات النسيم . ثابت التناسب هو معامل انتقال الحرارة . ^[7] ينطبق القانون عندما يكون المعامل مستقلاً، أو مستقلاً نسبيًا، عن الفرق في درجات الحرارة بين الجسم والبيئة.

في انتقال الحرارة بالحمل الحراري الطبيعي الكلاسيكي، يعتمد معامل انتقال الحرارة على درجة الحرارة. ومع ذلك، فإن قانون نيوتن يقترب من الواقع عندما تكون التغيرات في درجة الحرارة صغيرة نسبيًا، وفي حالة التبريد بالهواء القسري والسوائل المضخوخة، حيث لا ترتفع سرعة السائل مع زيادة فرق درجة الحرارة.

العلاقة الأساسية لانتقال الحرارة بالحمل هي:

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

حيث أن: الحرارة المنقولة لكل وحدة زمنية، A هي مساحة الجسم، h هو معامل انتقال الحرارة ، T هي درجة حرارة سطح الجسم، و T _f هي درجة حرارة السائل. ^[8]${\displaystyle {\dot {Q}}}$

يعتمد معامل انتقال الحرارة بالحمل الحراري على الخصائص الفيزيائية للسائل والوضع الفيزيائي. تم قياس قيم h وتبويبها للسوائل ومواقف التدفق الشائعة.

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