انتقال الحرارة

عن طريق نقل المادة، تنتقل الطاقة - بما في ذلك الطاقة الحرارية - من خلال النقل الفيزيائي لجسم ساخن أو بارد من مكان إلى آخر. قد يكون هذا بسيطًا مثل وضع ماء ساخن في زجاجة لتدفئة سرير، أو حركة جبل جليدي في تيارات المحيط المتغيرة. ومن الأمثلة العملية على ذلك الديناميكا الحرارية المائية ، والتي يمكن وصفها بالمعادلة التالية: $${\displaystyle \phi _{q}=v\rho c_{p}\Delta T}$$ أين

• ${\displaystyle \phi _{q}}$التدفق الحراري (واط/م² ⁾ ،
• ${\displaystyle \rho }$الكثافة (كجم/م³ ⁾ ،
• ${\displaystyle c_{p}}$هي السعة الحرارية عند ضغط ثابت (جول/كجم·كلفن)،
• ${\displaystyle \Delta T}$يمثل الفرق في درجة الحرارة (كلفن)،
• ${\displaystyle v}$هي السرعة (م/ث).

على المستوى المجهري، يحدث التوصيل الحراري عندما تتفاعل الذرات والجزيئات الساخنة سريعة الحركة أو الاهتزاز مع الذرات والجزيئات المجاورة، ناقلةً جزءًا من طاقتها (حرارتها) إلى هذه الجسيمات المجاورة. بعبارة أخرى، تنتقل الحرارة بالتوصيل عندما تهتز الذرات المتجاورة ضد بعضها البعض، أو عندما تنتقل الإلكترونات من ذرة إلى أخرى. يُعدّ التوصيل أهم وسيلة لانتقال الحرارة داخل المواد الصلبة أو بين الأجسام الصلبة المتلامسة حراريًا . أما السوائل، وخاصة الغازات، فهي أقل توصيلًا للحرارة. يُعنى علم التوصيل الحراري بالتلامس بدراسة التوصيل الحراري بين الأجسام الصلبة المتلامسة. ^{[ 8 ]} تُسمى عملية انتقال الحرارة من مكان إلى آخر دون حركة الجسيمات بالتوصيل، كما هو الحال عند وضع اليد على كوب ماء بارد؛ حيث تنتقل الحرارة من الجلد الدافئ إلى الكوب البارد، ولكن إذا كانت اليد على بُعد بضعة سنتيمترات من الكوب، فسيكون التوصيل ضئيلاً لأن الهواء موصل رديء للحرارة. التوصيل الحراري في حالة الاستقرار هو نموذج مثالي للتوصيل الحراري يحدث عندما يكون فرق درجة الحرارة المُسبب للتوصيل ثابتًا، بحيث لا يتغير التوزيع المكاني لدرجات الحرارة في الجسم الموصل بعد فترة زمنية معينة (انظر قانون فورييه ). ^{[ 9 ]} في حالة التوصيل الحراري في حالة الاستقرار، تتساوى كمية الحرارة الداخلة إلى مقطع معين مع كمية الحرارة الخارجة منه، لأن التغير في درجة الحرارة (مقياس الطاقة الحرارية) يساوي صفرًا. ^{[ 8 ]} مثال على التوصيل الحراري في حالة الاستقرار هو تدفق الحرارة عبر جدران منزل دافئ في يوم بارد؛ حيث تُحافظ درجة الحرارة داخل المنزل على مستوى عالٍ، بينما تبقى درجة الحرارة خارجه منخفضة، وبالتالي يبقى انتقال الحرارة في وحدة الزمن قريبًا من معدل ثابت تحدده خصائص العزل في الجدار، ويكون التوزيع المكاني لدرجة الحرارة في الجدران ثابتًا تقريبًا مع مرور الوقت.

يحدث التوصيل الحراري العابر (انظر معادلة الحرارة ) عندما تتغير درجة الحرارة داخل جسم ما مع مرور الوقت. يُعد تحليل الأنظمة العابرة أكثر تعقيدًا، ولا تكون الحلول التحليلية لمعادلة الحرارة صالحة إلا لأنظمة نموذجية مثالية. تُدرس التطبيقات العملية عمومًا باستخدام الطرق العددية أو تقنيات التقريب أو الدراسات التجريبية. ^{[ 8 ]}

قد يُجبر تدفق السوائل بفعل عمليات خارجية، أو أحيانًا (في الحقول الجاذبية) بفعل قوى الطفو الناتجة عن تمدد السوائل بفعل الطاقة الحرارية (كما في أعمدة الدخان الناتجة عن الحرائق)، مما يؤثر على انتقالها الذاتي. تُسمى هذه العملية الأخيرة غالبًا "الحمل الحراري الطبيعي". كما تنقل جميع عمليات الحمل الحراري الحرارة جزئيًا عن طريق الانتشار. وهناك شكل آخر من أشكال الحمل الحراري وهو الحمل الحراري القسري، حيث يُجبر السائل على التدفق باستخدام مضخة أو مروحة أو أي وسيلة ميكانيكية أخرى.

انتقال الحرارة بالحمل ، أو ببساطة الحمل الحراري، هو انتقال الحرارة من مكان إلى آخر عن طريق حركة السوائل ، وهي عملية تُعدّ في جوهرها انتقالًا للحرارة عبر انتقال الكتلة . تُعزز الحركة الكلية للسائل انتقال الحرارة في العديد من الحالات الفيزيائية، كما هو الحال بين سطح صلب والسائل. ^{[ 10 ]} يُعدّ الحمل الحراري عادةً الشكل السائد لانتقال الحرارة في السوائل والغازات. على الرغم من أنه يُناقش أحيانًا كطريقة ثالثة لانتقال الحرارة، إلا أن مصطلح الحمل الحراري يُستخدم عادةً لوصف التأثيرات المُجتمعة للتوصيل الحراري داخل السائل (الانتشار) وانتقال الحرارة عن طريق تدفق السائل. ^{[ 11 ]} تُعرف عملية النقل عن طريق تدفق السائل باسم الحمل الحراري، ولكن الحمل الحراري الخالص هو مصطلح يرتبط عمومًا فقط بانتقال الكتلة في السوائل، مثل حمل الحصى في النهر. في حالة انتقال الحرارة في السوائل، حيث يكون النقل عن طريق الحمل في السائل مصحوبًا دائمًا بالنقل عن طريق انتشار الحرارة (المعروف أيضًا باسم التوصيل الحراري)، فإن عملية الحمل الحراري تُفهم على أنها تشير إلى مجموع نقل الحرارة عن طريق الحمل والانتشار/التوصيل.

يحدث الحمل الحراري الحر، أو الطبيعي، عندما تنشأ حركات السوائل (التيارات والتيارات المائية) بفعل قوى الطفو الناتجة عن تغيرات الكثافة بسبب تغيرات درجة حرارة السائل. أما الحمل الحراري القسري ، فيُستخدم عندما تُستحث التيارات والتيارات المائية في السائل بوسائل خارجية، مثل المراوح والمحركات والمضخات، مما يُحدث تيار حمل حراري اصطناعي. ^{[ 12 ]}

في جسم سائل يُسخّن من أسفل وعائه، يمكن اعتبار التوصيل الحراري والحمل الحراري عاملين متنافسين. فإذا كان التوصيل الحراري كبيرًا جدًا، يسخن السائل المتحرك لأسفل بفعل الحمل الحراري بسرعة كبيرة لدرجة أن حركته الهابطة تتوقف بفعل قوة الطفو ، بينما يبرد السائل المتحرك لأعلى بفعل الحمل الحراري بسرعة كبيرة لدرجة أن قوة الطفو التي تدفعه تتضاءل. من ناحية أخرى، إذا كان التوصيل الحراري منخفضًا جدًا، فقد يتشكل تدرج حراري كبير، وقد يكون الحمل الحراري قويًا جدًا.

رقم رايلي (${\displaystyle \mathrm {Ra} }$) هو نتاج غراشوف (${\displaystyle \mathrm {Gr} }$) وبراندتل (${\displaystyle \mathrm {Pr} }$الأرقام. وهو مقياس يحدد القوة النسبية للتوصيل والحمل الحراري. ^{[ 13 ]}

$${\displaystyle \mathrm {Ra} =\mathrm {Gr} \cdot \mathrm {Pr} ={\frac {g\Delta \rho L^{3}}{\mu \alpha }}={\frac {g\beta \Delta TL^{3}}{\nu \alpha }}}$$ أين

• g هو تسارع الجاذبية الأرضية،
• ρ هي الكثافة مع${\displaystyle \Delta \rho }$كونها الفرق في الكثافة بين الطرفين السفلي والعلوي،
• μ هي اللزوجة الديناميكية ،
• α هي معامل الانتشار الحراري ،
• β هو معامل التمدد الحراري الحجمي (يُشار إليه أحيانًا بالرمز α في أماكن أخرى)،
• T هي درجة الحرارة،
• ν هي اللزوجة الحركية ، و
• L هو الطول المميز.

يمكن فهم رقم رايلي على أنه النسبة بين معدل انتقال الحرارة بالحمل الحراري ومعدل انتقال الحرارة بالتوصيل الحراري؛ أو، بصورة مكافئة، النسبة بين الأطر الزمنية المقابلة (أي زمن التوصيل الحراري مقسومًا على زمن الحمل الحراري)، مع مراعاة عامل عددي. ويمكن توضيح ذلك كما يلي، حيث تُجرى جميع الحسابات مع مراعاة عوامل عددية تعتمد على هندسة النظام.

قوة الطفو التي تدفع الحمل الحراري تقريبًا${\displaystyle g\Delta \rho L^{3}}$لذا فإن الضغط المقابل يكون تقريبًا${\displaystyle g\Delta \rho L}$في حالة الاستقرار ، يتم إلغاء هذا بواسطة إجهاد القص الناتج عن اللزوجة، وبالتالي يساوي تقريبًا${\displaystyle \mu V/L=\mu /T_{\text{conv}}}$، حيث V هي سرعة السائل النموذجية الناتجة عن الحمل الحراري و${\displaystyle T_{\text{conv}}}$رتبة مقياسها الزمني. ^{[ 14 ]} أما المقياس الزمني للتوصيل، من ناحية أخرى، فهو من رتبة${\displaystyle T_{\text{cond}}=L^{2}/\alpha }$.

يحدث الحمل الحراري عندما يكون رقم رايلي أعلى من 1000-2000.

انتقال الحرارة الإشعاعي هو انتقال الطاقة عبر الإشعاع الحراري ، أي الموجات الكهرومغناطيسية . ^{[ 1 ]} ويحدث هذا الانتقال عبر الفراغ أو أي وسط شفاف ( صلب أو سائل أو غاز ). ^{[ 15 ]} ينبعث الإشعاع الحراري من جميع الأجسام عند درجات حرارة أعلى من الصفر المطلق ، نتيجةً للحركات العشوائية للذرات والجزيئات في المادة. ولأن هذه الذرات والجزيئات تتكون من جسيمات مشحونة ( بروتونات وإلكترونات )، فإن حركتها تؤدي إلى انبعاث إشعاع كهرومغناطيسي يحمل الطاقة. عادةً ما يكون الإشعاع ذا أهمية في التطبيقات الهندسية للأجسام شديدة السخونة، أو للأجسام ذات فرق كبير في درجات الحرارة .

عندما تكون الأجسام والمسافات التي تفصل بينها كبيرة الحجم، وبالمقارنة مع الطول الموجي للإشعاع الحراري، فإن معدل انتقال الطاقة الإشعاعية يُوصف بشكل أفضل بواسطة معادلة ستيفان-بولتزمان : $${\displaystyle \phi _{q}=\epsilon \sigma T^{4}.}$$

بالنسبة لانتقال الإشعاع بين جسمين، تكون المعادلة كما يلي: $${\displaystyle \phi _{q}=\epsilon \sigma F(T_{a}^{4}-T_{b}^{4}),}$$ أين

• ${\displaystyle \phi _{q}}$هو التدفق الحراري ،
• ${\displaystyle \epsilon }$هي الانبعاثية (تساوي واحدًا للجسم الأسود )،
• ${\displaystyle \sigma }$هو ثابت ستيفان-بولتزمان ،
• ${\displaystyle F}$هو عامل الرؤية بين سطحين a و b، ^{[ 16 ]} و
• ${\displaystyle T_{a}}$و${\displaystyle T_{b}}$هي درجات الحرارة المطلقة ( بالكلفن أو درجات رانكين ) للجسمين.

يمكن تجاوز حد الجسم الأسود المحدد بمعادلة ستيفان-بولتزمان عندما تكون الأجسام التي تتبادل الإشعاع الحراري أو المسافات الفاصلة بينها متقاربة في الحجم أو أصغر من الطول الموجي الحراري السائد . وتُسمى دراسة هذه الحالات بانتقال الحرارة الإشعاعي في المجال القريب .

يمكن استغلال الإشعاع الشمسي لتوليد الحرارة والطاقة. ^{[ 17 ]} على عكس التوصيل الحراري والحمل الحراري، يمكن تركيز الإشعاع الحراري - الذي يصل بزاوية ضيقة، أي قادمًا من مصدر أصغر بكثير من المسافة بينه وبين الشمس - في بقعة صغيرة باستخدام المرايا العاكسة، وهو ما يُستغل في توليد الطاقة الشمسية المركزة أو في الزجاج المحترق . ^{[ 18 ]} على سبيل المثال، يُسخّن ضوء الشمس المنعكس من المرايا برج الطاقة الشمسية PS10 ، ويمكنه خلال النهار تسخين الماء إلى 285 درجة مئوية (545 درجة فهرنهايت) . ^{[ 19 ]}  

تُحدَّد درجة الحرارة التي يمكن الوصول إليها عند الهدف بدرجة حرارة مصدر الإشعاع الساخن. (يسمح قانون T4 ^{بارتفاع} التدفق العكسي للإشعاع عائدًا إلى المصدر). تسمح الشمس، التي تبلغ درجة حرارتها السطحية حوالي 4000 كلفن، بالوصول إلى حوالي 3000 كلفن (أو 3000  درجة مئوية، أي ما يعادل 3273 كلفن تقريبًا) عند مسبار صغير في بؤرة مرآة مقعرة كبيرة مركزة في فرن مونت لويس الشمسي في فرنسا. ^{[ 20 ]}

نقطة غليان المادة هي درجة الحرارة التي يتساوى عندها ضغط بخار السائل مع الضغط المحيط بالسائل ^{[ 22 ] [ 23 ]} ويتبخر السائل مما يؤدي إلى تغيير مفاجئ في حجم البخار.

في نظام مغلق ، تعني درجة حرارة التشبع ونقطة الغليان الشيء نفسه. درجة حرارة التشبع هي درجة الحرارة التي عندها يغلي السائل ويتحول إلى بخار عند ضغط تشبع مماثل. يمكن القول إن السائل مشبع بالطاقة الحرارية. أي إضافة للطاقة الحرارية تؤدي إلى تحول طوري.

عند الضغط الجوي القياسي ودرجات الحرارة المنخفضة ، لا يحدث غليان، ويتحكم في معدل انتقال الحرارة آليات الطور الواحد المعتادة. مع ارتفاع درجة حرارة السطح، يحدث غليان موضعي، وتتشكل فقاعات بخارية، وتنمو داخل السائل المحيط الأبرد، ثم تنهار. يُعرف هذا بالغليان النووي تحت التبريد ، وهو آلية فعالة للغاية لانتقال الحرارة. عند معدلات تكوّن فقاعات عالية، تبدأ الفقاعات بالتداخل، ولا يعود تدفق الحرارة يزداد بسرعة مع درجة حرارة السطح (وهذا ما يُعرف بالانحراف عن الغليان النووي ).

عند ضغط جوي قياسي مماثل ودرجات حرارة عالية ، يتم الوصول إلى نظام الغليان الفيلمي الأكثر هدوءًا من الناحية الهيدروديناميكية . تكون تدفقات الحرارة عبر طبقات البخار المستقرة منخفضة، لكنها ترتفع ببطء مع ارتفاع درجة الحرارة. أي تلامس بين السائل والسطح، والذي قد يُلاحظ، يُرجّح أن يؤدي إلى التكوين السريع للغاية لطبقة بخار جديدة (" التكوين التلقائي "). عند درجات حرارة أعلى، يتم الوصول إلى قيمة عظمى في تدفق الحرارة ( تدفق الحرارة الحرج ، أو CHF).

تُظهر ظاهرة لايدنفروست كيف يُبطئ الغليان النوي انتقال الحرارة بسبب فقاعات الغاز على سطح السخان. وكما ذُكر، فإن الموصلية الحرارية للغاز أقل بكثير من الموصلية الحرارية للسائل، مما ينتج عنه نوع من " الحاجز الحراري الغازي ".

يحدث التكثيف عندما يبرد البخار ويتحول إلى سائل. وخلال عملية التكثيف، يجب إطلاق الحرارة الكامنة للتبخر . وتكون كمية الحرارة المنبعثة هي نفسها كمية الحرارة الممتصة أثناء التبخر عند نفس ضغط السائل. ^{[ 24 ]}

توجد عدة أنواع من التكثيف:

• التكثيف المتجانس، كما هو الحال أثناء تشكل الضباب.
• التكثيف عند التلامس المباشر مع سائل مبرد.
• التكثيف عند التلامس المباشر مع جدار التبريد في المبادل الحراري: هذا هو الوضع الأكثر شيوعًا المستخدم في الصناعة:
  • التكثيف الغشائي هو عندما تتشكل طبقة سائلة على السطح المبرد، ويحدث عادة عندما يبلل السائل السطح.
  • يحدث التكثيف القطري عندما تتشكل قطرات السائل على السطح المبرد، وعادة ما يحدث عندما لا يبلل السائل السطح.
  يصعب الحفاظ على التكثيف القطري بشكل موثوق؛ لذلك، عادةً ما يتم تصميم المعدات الصناعية للعمل في وضع التكثيف الفيلمي.

الانصهار عملية حرارية تؤدي إلى تحول المادة من الحالة الصلبة إلى الحالة السائلة . تزداد الطاقة الداخلية للمادة، عادةً بفعل الحرارة أو الضغط، مما يؤدي إلى ارتفاع درجة حرارتها إلى نقطة الانصهار ، حيث يتفكك ترتيب الأيونات أو الجزيئات في المادة الصلبة إلى حالة أقل انتظامًا، فتتحول المادة الصلبة إلى سائلة. تتميز المواد المنصهرة عمومًا بانخفاض لزوجتها مع ارتفاع درجة الحرارة؛ ويُستثنى من هذه القاعدة عنصر الكبريت ، الذي تزداد لزوجته إلى حد معين نتيجةً لعملية البلمرة ، ثم تنخفض مع ارتفاع درجة الحرارة في حالته المنصهرة. ^{[ 25 ]}

معادلة الحرارة هي معادلة تفاضلية جزئية مهمة تصف توزيع الحرارة (أو تغير درجة الحرارة) في منطقة معينة مع مرور الوقت. في بعض الحالات، تتوفر حلول دقيقة للمعادلة؛ ^{[ 26 ]} وفي حالات أخرى، يجب حل المعادلة عدديًا باستخدام طرق حسابية مثل النماذج القائمة على طريقة العناصر المنفصلة (DEM) للأنظمة الحرارية/الجسيمية المتفاعلة (كما استعرضها بنغ وآخرون بشكل نقدي ^{[ 27 ]} ).

غالباً ما يقلل تحليل النظام المجمع من تعقيد المعادلات إلى معادلة تفاضلية خطية من الدرجة الأولى، وفي هذه الحالة يتم وصف التسخين والتبريد بواسطة حل أسي بسيط، يشار إليه غالباً باسم قانون نيوتن للتبريد .

يُعد تحليل النظام باستخدام نموذج السعة المجمعة تقريبًا شائعًا في التوصيل الحراري العابر، ويُستخدم عندما يكون التوصيل الحراري داخل الجسم أسرع بكثير من التوصيل الحراري عبر حدوده. هذه طريقة تقريبية تُختزل أحد جوانب نظام التوصيل الحراري العابر - وهو داخل الجسم - إلى نظام مكافئ في حالة الاستقرار. أي أن هذه الطريقة تفترض أن درجة الحرارة داخل الجسم متجانسة تمامًا، على الرغم من أن قيمتها قد تتغير بمرور الوقت.

في هذه الطريقة، تُحسب نسبة مقاومة التوصيل الحراري داخل الجسم إلى مقاومة انتقال الحرارة بالحمل الحراري عبر حدوده، والمعروفة باسم عدد بيوت . بالنسبة لأعداد بيوت الصغيرة، يمكن استخدام تقريب درجة الحرارة المتجانسة مكانيًا داخل الجسم : إذ يُفترض أن الحرارة المنتقلة إلى الجسم لديها الوقت الكافي لتتوزع بشكل متجانس، نظرًا لانخفاض مقاومة هذا التوزيع مقارنةً بمقاومة دخول الحرارة إلى الجسم. ^{[ 28 ]}

تدرس نماذج المناخ انتقال الحرارة الإشعاعية باستخدام أساليب كمية لمحاكاة تفاعلات الغلاف الجوي والمحيطات وسطح الأرض والجليد. ^{[ 29 ]}

العوازل الحرارية هي مواد مصممة خصيصًا لتقليل تدفق الحرارة عن طريق الحد من التوصيل أو الحمل الحراري أو كليهما. المقاومة الحرارية هي خاصية حرارية، وهي مقياس لمقاومة جسم أو مادة لتدفق الحرارة (الحرارة لكل وحدة زمنية أو المقاومة الحرارية) نتيجة لاختلاف درجة الحرارة.

الإشعاع ، أو الإشعاع الطيفي، هو مقياس لكمية الإشعاع التي تمر عبر المواد أو تنبعث منها. الحواجز الإشعاعية هي مواد تعكس الإشعاع، وبالتالي تقلل من تدفق الحرارة من مصادر الإشعاع. ليست المواد العازلة الجيدة بالضرورة حواجز إشعاعية جيدة، والعكس صحيح. فالمعادن، على سبيل المثال، عاكس ممتاز وعازل ضعيف.

تُقاس فعالية الحاجز الإشعاعي بانعكاسيته ، وهي نسبة الإشعاع المنعكس. فالمادة ذات الانعكاسية العالية (عند طول موجي معين) تتميز بانبعاثية منخفضة (عند نفس الطول الموجي)، والعكس صحيح. عند أي طول موجي محدد، تكون الانعكاسية = 1 - الانبعاثية. الحاجز الإشعاعي المثالي يكون انعكاسيته 1، وبالتالي يعكس 100% من الإشعاع الوارد. تُطلى القوارير المفرغة من الهواء ، أو أوعية ديوار، بالفضة لتحقيق هذا الهدف المثالي. في فراغ الفضاء، تستخدم الأقمار الصناعية عزلًا متعدد الطبقات ، يتكون من طبقات عديدة من مادة مايلر المطلية بالألومنيوم (اللامعة) لتقليل انتقال الحرارة الإشعاعية بشكل كبير والتحكم في درجة حرارة القمر الصناعي.

المحرك الحراري هو نظام يحول تدفق الطاقة الحرارية إلى طاقة ميكانيكية لأداء شغل ميكانيكي . ^{[ 30 ] [ 31 ]} المزدوجة الحرارية هي جهاز لقياس درجة الحرارة، وهي نوع شائع الاستخدام من مجسات الحرارة للقياس والتحكم، ويمكن استخدامها أيضًا لتحويل الحرارة إلى طاقة كهربائية. المبرد الكهروحراري هو جهاز إلكتروني صلب ينقل الحرارة من جانب إلى آخر عند مرور تيار كهربائي فيه، ويعتمد على تأثير بلتييه . الصمام الثنائي الحراري أو المقوم الحراري هو جهاز يوجه تدفق الحرارة بشكل تفضيلي في اتجاه واحد.

يهدف الاستخدام الأمثل للطاقة إلى تقليل كمية الطاقة اللازمة للتدفئة أو التبريد. في مجال الهندسة المعمارية، قد يتسبب التكثيف وتيارات الهواء في أضرار تجميلية أو هيكلية. ويمكن أن تساعد عملية تدقيق الطاقة في تقييم مدى تطبيق الإجراءات التصحيحية الموصى بها، مثل تحسين العزل، وسد التسريبات الهيكلية، أو إضافة نوافذ وأبواب موفرة للطاقة. ^{[ 34 ]}

• العداد الذكي هو جهاز يسجل استهلاك الطاقة الكهربائية على فترات زمنية محددة.
• معامل انتقال الحرارة هو معدل انتقال الحرارة عبر هيكل ما مقسومًا على فرق درجة الحرارة عبر هذا الهيكل. ويُقاس بوحدة واط لكل متر مربع لكل كلفن، أو واط/(م² ^كلفن ). تتميز الأجزاء المعزولة جيدًا من المبنى بمعامل انتقال حرارة منخفض، بينما تتميز الأجزاء المعزولة بشكل سيئ بمعامل انتقال حرارة مرتفع.
• منظم الحرارة هو جهاز لمراقبة درجة الحرارة والتحكم بها.

تتألف هندسة المناخ من إزالة ثاني أكسيد الكربون وإدارة الإشعاع الشمسي . ولأن كمية ثاني أكسيد الكربون تحدد التوازن الإشعاعي للغلاف الجوي للأرض، يمكن تطبيق تقنيات إزالة ثاني أكسيد الكربون لتقليل التأثير الإشعاعي . أما إدارة الإشعاع الشمسي فهي محاولة لتقليل امتصاص الإشعاع الشمسي لموازنة آثار الغازات الدفيئة .

ثمة طريقة بديلة تتمثل في التبريد الإشعاعي السلبي خلال النهار ، والذي يعزز تدفق الحرارة الأرضية إلى الفضاء الخارجي عبر نافذة الأشعة تحت الحمراء (8-13  ميكرومتر). ^{[ 35 ] [ 36 ]} وبدلاً من مجرد حجب الإشعاع الشمسي، تزيد هذه الطريقة من انتقال الحرارة الناتج عن الإشعاع الحراري بالأشعة تحت الحمراء طويلة الموجة (LWIR) مع درجة الحرارة المنخفضة للغاية للفضاء الخارجي (~2.7 كلفن ) لخفض درجات الحرارة المحيطة دون الحاجة إلى أي مدخلات طاقة. ^{[ 37 ] [ 38 ]}

ظاهرة الاحتباس الحراري هي عملية يتم فيها امتصاص الإشعاع الحراري من سطح الكوكب بواسطة غازات الاحتباس الحراري والغيوم في الغلاف الجوي، ثم يُعاد إشعاعه في جميع الاتجاهات، مما يؤدي إلى انخفاض كمية الإشعاع الحراري الواصل إلى الفضاء مقارنةً بما كان سيصل إليه في غياب المواد الماصة. ويؤدي هذا الانخفاض في الإشعاع الصادر إلى ارتفاع درجة حرارة السطح والتروبوسفير حتى يتساوى معدل الإشعاع الصادر مرة أخرى مع معدل وصول الحرارة من الشمس. ^{[ 40 ]}

يمكن تطبيق مبادئ انتقال الحرارة في الأنظمة الهندسية على جسم الإنسان لتحديد كيفية انتقال الحرارة فيه. تُنتَج الحرارة في الجسم من خلال عملية التمثيل الغذائي المستمرة للمغذيات، والتي تُمدّ أجهزة الجسم بالطاقة. ^{[ 41 ]} يجب على جسم الإنسان الحفاظ على درجة حرارة داخلية ثابتة لضمان سلامة وظائفه الحيوية. لذلك، يجب التخلص من الحرارة الزائدة لمنع ارتفاع درجة حرارة الجسم. عندما يمارس الشخص نشاطًا بدنيًا مكثفًا، يحتاج الجسم إلى وقود إضافي، مما يزيد من معدل الأيض ومعدل إنتاج الحرارة. عندها، يجب على الجسم استخدام طرق إضافية للتخلص من الحرارة الزائدة الناتجة للحفاظ على درجة حرارته الداخلية ضمن المعدل الطبيعي.

ينتقل الحرارة بالحمل الحراري بفعل حركة السوائل فوق سطح الجسم. قد يكون هذا السائل سائلاً أو غازاً. بالنسبة لانتقال الحرارة من السطح الخارجي للجسم، تعتمد آلية الحمل الحراري على مساحة سطح الجسم، وسرعة الهواء، وفرق درجة الحرارة بين سطح الجلد والهواء المحيط. ^{[ 42 ]} تبلغ درجة حرارة الجسم الطبيعية حوالي 37  درجة مئوية. ويحدث انتقال الحرارة بسهولة أكبر عندما تكون درجة حرارة المحيط أقل بكثير من درجة حرارة الجسم الطبيعية. يفسر هذا المفهوم شعور الشخص بالبرد عند عدم ارتداء ملابس كافية في بيئة باردة. يمكن اعتبار الملابس عازلاً حرارياً يوفر مقاومة لتدفق الحرارة فوق الجزء المغطى من الجسم. ^{[ 43 ]} تؤدي هذه المقاومة الحرارية إلى انخفاض درجة حرارة سطح الملابس عن درجة حرارة سطح الجلد. ويؤدي هذا الفرق الطفيف في درجة الحرارة بين سطح الجلد والهواء المحيط إلى انخفاض معدل انتقال الحرارة مقارنةً بحالة عدم تغطية الجلد.

لضمان عدم ارتفاع درجة حرارة أي جزء من الجسم بشكل ملحوظ عن غيره، يجب توزيع الحرارة بالتساوي في جميع أنسجة الجسم. يعمل الدم المتدفق عبر الأوعية الدموية كسائل ناقل للحرارة، مما يساعد على منع تراكم الحرارة الزائدة داخل أنسجة الجسم. يمكن نمذجة تدفق الدم هذا عبر الأوعية كتدفق أنبوبي في نظام هندسي. تتحدد كمية الحرارة التي يحملها الدم بدرجة حرارة الأنسجة المحيطة، وقطر الوعاء الدموي، وسماكة السائل ، وسرعة التدفق، ومعامل انتقال الحرارة للدم. ترتبط السرعة وقطر الوعاء الدموي وسماكة السائل برقم رينولدز ، وهو رقم لا بُعدي يُستخدم في ميكانيكا الموائع لوصف تدفق السوائل.

يمثل فقدان الحرارة الكامنة ، المعروف أيضًا بفقدان الحرارة بالتبخر، نسبة كبيرة من إجمالي فقدان الحرارة من الجسم. فعندما ترتفع درجة حرارة الجسم الداخلية، تُحفز الغدد العرقية في الجلد لجلب المزيد من الرطوبة إلى سطحه. ثم يتحول السائل إلى بخار، مما يُزيل الحرارة من سطح الجسم. ^{[ 44 ]} يرتبط معدل فقدان الحرارة بالتبخر ارتباطًا مباشرًا بضغط البخار على سطح الجلد وكمية الرطوبة الموجودة عليه. ^{[ 42 ]} لذلك، يحدث أقصى انتقال للحرارة عندما يكون الجلد مبللًا تمامًا. يفقد الجسم الماء باستمرار عن طريق التبخر، ولكن أكبر قدر من فقدان الحرارة يحدث خلال فترات النشاط البدني المكثف.

يشمل تخزين الطاقة الحرارية تقنيات لجمع الطاقة وتخزينها لاستخدامها لاحقًا. ويمكن استخدامه لموازنة الطلب على الطاقة بين النهار والليل. ويمكن الحفاظ على خزان الطاقة الحرارية عند درجة حرارة أعلى أو أقل من درجة حرارة البيئة المحيطة. وتشمل التطبيقات تدفئة المساحات، وأنظمة المياه الساخنة المنزلية أو الصناعية، أو توليد الكهرباء.

في عام ١٧٠١، نشر إسحاق نيوتن مقالًا مجهولًا في مجلة "المعاملات الفلسفية " أشار فيه (بمصطلحات حديثة) إلى أن معدل تغير درجة حرارة الجسم يتناسب طرديًا مع الفرق في درجات الحرارة ( درجة الحرارة) بين الجسم ومحيطه. ^{[ ٤٧ ]} استُبدل مصطلح "تغير درجة الحرارة" لاحقًا بمصطلح "فقدان الحرارة"، وسُميت هذه العلاقة بقانون نيوتن للتبريد. وبشكل عام، لا يصح هذا القانون إلا إذا كان فرق درجة الحرارة ضئيلًا وظلت آلية انتقال الحرارة ثابتة.

في رسالة كتبها عام 1780 إلى بنجامين فرانكلين ، يروي العالم البريطاني المولود في هولندا جان إنجينهاوس تجربة مكنته من تصنيف سبعة معادن مختلفة وفقًا لموصلية الحرارة الخاصة بها: ^{[ 48 ]}

أتذكر أنك أعطيتني سلكًا من خمسة معادن، جميعها مسحوبة عبر نفس الثقب: سلك من الذهب، وآخر من الفضة، وثالث من النحاس، ورابع من الفولاذ، وخامس من الحديد. زودتك هنا بالسلكين الآخرين: أحدهما من القصدير والآخر من الرصاص. ثبتت هذه الأسلاك السبعة في إطار خشبي بمسافات متساوية بينها... غمرت الأسلاك السبعة في الشمع المذاب حتى عمق الإطار الخشبي... عند إخراجها، كانت مغطاة بطبقة من الشمع... عندما وجدت أن هذه الطبقة متساوية السماكة تقريبًا على جميع الأسلاك، وضعتها جميعًا في إناء فخاري مزجج مملوء بزيت الزيتون المسخن إلى درجة حرارة أقل من الغليان، مع الحرص على غمر كل سلك في الزيت بنفس العمق... الآن، بما أنها غُمرت جميعها في نفس الوقت وفي نفس الزيت، فلا بد أن السلك الذي ذاب عليه الشمع أكثر من غيره هو أفضل موصل للحرارة. ... كان الفضة أفضل المعادن في توصيل الحرارة، يليه النحاس، ثم الذهب، ثم القصدير، ثم الحديد، ثم الفولاذ، ثم الرصاص.

خلال الفترة من عام 1784 إلى عام 1798، أقام الفيزيائي البريطاني بنيامين طومسون (الكونت رومفورد) في بافاريا ، حيث أعاد تنظيم الجيش البافاري لصالح الأمير الناخب تشارلز ثيودور، إلى جانب مهام رسمية وخيرية أخرى. وقد منح الأمير الناخب طومسون حق الوصول إلى مرافق الأكاديمية الانتخابية للعلوم في مانهايم . وخلال سنوات إقامته في مانهايم، ولاحقًا في ميونيخ ، حقق طومسون عددًا كبيرًا من الاكتشافات والاختراعات المتعلقة بالحرارة.

في ثلاثينيات القرن التاسع عشر، ورد مصطلح الحمل الحراري في كتاب "رسائل بريدج ووتر" بمعناه العلمي. وفي الرسالة الثامنة لويليام براوت ، في كتاب الكيمياء ، ورد ما يلي: ^{[ 57 ]}

تنتقل الحرارة بثلاث طرق، وهو ما توضحه المدفأة بشكل جليّ. فمثلاً، إذا وضعنا ميزان حرارة أمام النار مباشرةً، فإنه سرعان ما يبدأ بالارتفاع، مما يدل على زيادة في درجة الحرارة. في هذه الحالة، تكون الحرارة قد انتقلت عبر الفراغ بين النار وميزان الحرارة، بعملية تُسمى الإشعاع . وإذا وضعنا ميزان حرارة ثانياً ملامساً لأي جزء من شبكة المدفأة، بعيداً عن تأثير النار المباشر، فسنجد أن هذا الميزان أيضاً يُشير إلى زيادة في درجة الحرارة؛ ولكن هنا، لا بد أن الحرارة قد انتقلت عبر معدن الشبكة، بعملية تُسمى التوصيل . وأخيراً، فإن ميزان حرارة ثالثاً موضوعاً في المدخنة، بعيداً عن تأثير النار المباشر، سيُشير أيضاً إلى زيادة ملحوظة في درجة الحرارة؛ في هذه الحالة، يكون جزء من الهواء المار عبر النار وبالقرب منها قد سخن، وحمل معه إلى أعلى المدخنة درجة الحرارة التي اكتسبها من النار. ولا يوجد حالياً مصطلح واحد في لغتنا يُستخدم للدلالة على هذه الطريقة الثالثة لانتقال الحرارة. لكننا نجرؤ على اقتراح مصطلح الحمل الحراري لهذا الغرض، [في الحاشية: [اللاتينية] Convectio ، بمعنى النقل أو التحويل] والذي لا يعبر فقط عن الحقيقة الرئيسية، ولكنه يتوافق أيضًا بشكل جيد جدًا مع المصطلحين الآخرين.

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