الهندسة الحرارية

📅 آخر تحديث: ٢٨ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٢٨ يوليو ٢٠٢٦
الموسوعة الحرة

الهندسة الحرارية هي فرع متخصص من الهندسة الميكانيكية، يركز على تخزين ونقل وتحويل الطاقة الحرارية داخل الأنظمة الحرارية أو بينها . [ 1 ] [ 2 ] يجب على مهندسي الحرارة تطبيق قوانين الديناميكا الحرارية ، وميكانيكا الموائع ، وانتقال الحرارة لتصميم أنظمة فعالة، والتي تتضمن عادةً محركات حرارية أو مبادلات حرارية . تُعد الهندسة الحرارية تخصصًا أساسيًا في العديد من الصناعات الحديثة، بدءًا من محطات توليد الطاقة ، مرورًا بصناعة الطيران والفضاء، وصولًا إلى تصميم الحواسيب. [ 3 ]

الفيزياء

غالباً ما يهتم علم الهندسة الحرارية بثلاثة فروع فرعية من الفيزياء: الديناميكا الحرارية ، وميكانيكا الموائع ، وانتقال الحرارة . [ 1 ] غالباً ما تكون المبادئ والمفاهيم من هذه الفروع الفرعية مفيدة في تحليل الأنظمة الحرارية.

الديناميكا الحرارية

يتناول علم الديناميكا الحرارية العلاقة بين الحرارة والشغل وخصائص أخرى بين الأنظمة المتوازنة. [ 2 ] وهو علم الطاقة. [ 4 ] وتوجد أربعة قوانين للديناميكا الحرارية.

  • ينص القانون الصفري للديناميكا الحرارية على أنه إذا كان جسمان في حالة اتزان حراري مع جسم ثالث، فإنهما يكونان أيضاً في حالة اتزان حراري مع بعضهما البعض. [ 2 ] [ 4 ]
  • ينص القانون الأول للديناميكا الحرارية، المعروف أيضاً بقانون حفظ الطاقة، على أن الطاقة لا تُستحدث ولا تُفنى . [ 1 ] [ 2 ] [ 4 ] والطريقتان الوحيدتان اللتان قد تتغير بهما الطاقة الكلية في نظام مغلق هما من خلال الشغل أو انتقال الحرارة . [ 4 ]
  • يتناول القانون الثاني للديناميكا الحرارية ، الذي يُعالج قصور القانون الأول، نوعية وكمية الطاقة، ويُحدد تدفقها بين الأنظمة. [ 1 ] ووفقًا لقول كلاوزيوس ، ينص القانون الثاني للديناميكا الحرارية على أنه من المستحيل لأي نظام أن يتصرف بطريقة يكون نتيجتها الوحيدة انتقال الطاقة عن طريق الحرارة من جسم بارد إلى جسم ساخن. [ 1 ] كما يُستشهد عادةً بقول كلفن -بلانك لتفسير القانون الثاني، والذي ينص على أنه من المستحيل لنظام يعمل في دورة أن يستقبل حرارة من مصدر واحد ويُنتج كمية صافية من الشغل. [ 4 ] يُشير كلا القولين إلى النتيجة نفسها، ومخالفة أحدهما تُخالف الآخر. [ 2 ]
  • ينص القانون الثالث للديناميكا الحرارية على أن إنتروبيا البنية البلورية النقية عند الصفر المطلق تساوي صفرًا. [ 2 ] [ 4 ] يوفر هذا القانون نقطة مرجعية لحساب الإنتروبيا المطلقة للمواد. [ 2 ]

ميكانيكا الموائع

يمكن تقسيم ميكانيكا الموائع إلى قسمين: علم سكون الموائع ، وهو دراسة الموائع المختلفة في حالة السكون؛ وديناميكا الموائع ، وهي دراسة تأثير القوى على حركة الموائع. [ 1 ] [ 5 ] تشمل التطبيقات الشائعة لميكانيكا الموائع أنظمة السباكة للمياه والغاز والصرف الصحي في المنازل والمدن، وتدفقات المبردات والمبادلات الحرارية في الثلاجات، ونقل الوقود والسوائل الأخرى في السيارات ، وغيرها. [ 6 ]

انتقال الحرارة

يُعدّ انتقال الحرارة أحد شكلي تفاعلات الطاقة في نظام مغلق. ويشير انتقال الحرارة إلى التفاعلات التي يكون فيها فرق درجة الحرارة داخل النظام هو القوة الدافعة. [ 2 ] [ 4 ] ويحدث انتقال الحرارة بإحدى الطرق الثلاث التالية: التوصيل ، والحمل الحراري ، والإشعاع . يحدث التوصيل عندما تنتقل الحرارة بين جزأين من المادة عن طريق التلامس المباشر، دون إزاحة كبيرة لجزيئات المادة. [ 2 ] أما الحمل الحراري فيحدث عندما تنتقل الحرارة نتيجة اختلاط السوائل، وهو ما يعتمد، على عكس التوصيل، على إزاحة جزيئات السائل. [ 2 ] وأخيرًا، الإشعاع هو انتقال الحرارة عبر الفضاء أو المادة دون أن يحدث عن طريق التوصيل أو الحمل الحراري. [ 2 ]

التطبيقات

قد يستخدم المهندسون النمذجة الديناميكية الحرارية لتقييم الخصائص الديناميكية الحرارية وأداء النظام الذي يقومون بتصميمه. [ 1 ]

محركات حرارية

المحركات الحرارية هي أنظمة تحوّل جزءًا من الطاقة الحرارية إلى طاقة ميكانيكية أو كهربائية باستخدام سائل عامل . [ 7 ] يعتمد تصميمها على المفهوم الأساسي لدورات الطاقة الديناميكية الحرارية . [ 1 ] تُعاني المحركات الحرارية من قيود نظرية وفيزيائية على كفاءة تحويل الطاقة ، والمعروفة بكفاءة الطاقة الحرارية . وبينما توجد أمثلة على المحركات الحرارية في الطبيعة، فإنها في سياق الهندسة الحرارية تُعتبر أجهزة من صنع الإنسان تُستخدم لإنتاج شغل مفيد. وبحسب مكان احتراق الوقود ومصير نواتج الاحتراق، تُقسم هذه المحركات الحرارية المصنّعة إلى فئتين: محركات الاحتراق الداخلي ومحركات الاحتراق الخارجي . [ 7 ]

يُعدّ تطوير محركات الاحتراق الداخلي أحد المجالات المتخصصة التي يعمل بها مهندسو الحرارة. [ 3 ] ولها تطبيقات متنوعة، لكنها تبرز بشكل خاص في قطاع النقل، حيث تُستخدم في كل مكان بدءًا من السيارات وحتى محركات الطائرات النفاثة . [ 7 ]

ومن الأمثلة على محركات الاحتراق الخارجي التوربين البخاري ، وهو عنصر أساسي في محطات الطاقة ويستخدم تاريخياً أيضاً في الدفع البحري والتنقل .

مبادلات حرارية

المبادل الحراري هو جهاز ينقل الحرارة بين سوائل ذات درجات حرارة مختلفة، دون اختلاطها. [ 4 ] يُستخدم في تطبيقات التدفئة والتبريد. [ 1 ] من أمثلة المبادلات الحرارية المكثفات ومشتتات الحرارة . [ 1 ] [ 2 ]

تُستخدم المبادلات الحرارية غالبًا لغرض استعادة الحرارة أو تجديدها، حيث تُجمع طاقة التسخين أو التبريد المفيدة ويُعاد استخدامها لتحسين الكفاءة الحرارية الإجمالية لعملية التسخين أو التبريد بأكملها. [ 8 ] يمكن تصنيف المبادلات الحرارية التجديدية إلى مُسترجعات ومُجددات . [ 8 ]

تُستخدم المبادلات الحرارية في العديد من التطبيقات اليومية الهامة، مثل أنظمة التدفئة والتهوية وتكييف الهواء والتبريد ، وهي عنصر أساسي في تبريد البنية التحتية للحاسوب، إذ يُعدّ تبديد الحرارة بكفاءة ضروريًا للحدّ من التباطؤ الحراري في أجهزة الحاسوب. ويُسهم ذلك، لا سيما في مراكز البيانات ، في الحفاظ على الأداء الأمثل وضمان استمرارية توفر الأنظمة الإلكترونية وموثوقيتها. [ 9 ]

تطبيقات أخرى

بحث

تشمل أبرز المجلات الأكاديمية في هذا المجال وفقًا لمؤشر h5 اعتبارًا من أبريل 2026: Applied Thermal Engineering ، و International Journal of Heat and Mass Transfer ، وCase Studies in Thermal Engineering، و Journal of Thermal Analysis and Calorimetry ، وInternational Communications in Heat and Mass Transfer. [ 10 ]

انظر أيضاً

مراجع

  1. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 موران، مايكل؛ شابيرو، هوارد؛ مونسون، بروس؛ ديويت، ديفيد (2003). مقدمة في هندسة الأنظمة الحرارية: الديناميكا الحرارية، وميكانيكا الموائع، وانتقال الحرارة . نيويورك: وايلي. ISBN 978-0-471-20490-9.
  2. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 راجبوت، آر كيه (2006). الهندسة الحرارية (الطبعة السادسة ). منشورات لاكشمي المحدودة. ISBN  9788170088349.
  3. 1 2 "ما هو الهندسة الحرارية؟ (التعريف والتخصصات)" . دليل وظائف Indeed . تم الاطلاع عليه بتاريخ 14 أبريل 2026 .
  4. 1 2 3 4 5 6 7 8 Çengel, Yunus A.; Boles, Michael A. (2006). الديناميكا الحرارية: منهج هندسي . سلسلة ماكجرو هيل في الهندسة الميكانيكية ( الطبعة الخامسة). بوسطن: ماكجرو هيل للتعليم العالي. ISBN  978-0-07-288495-1.
  5. ↑ وايت، فرانك م. (2009). ميكانيكا الموائع . سلسلة ماكجرو هيل في الهندسة الميكانيكية ( الطبعة السادسة). نيويورك، نيويورك: ماكجرو هيل. ISBN  978-0-07-352934-9.
  6. ↑ تشينجل، يونس أ.؛ سيمبالا، جون م. (2006). ميكانيكا الموائع: الأساسيات والتطبيقات . سلسلة ماكجرو هيل في الهندسة الميكانيكية. بوسطن، ماساتشوستس: ماكجرو هيل للتعليم العالي. ISBN 978-0-07-247236-3.
  7. 1 2 3 غوبتا، إتش إن (2025). أساسيات محرك الاحتراق الداخلي ( الطبعة الثالثة). دار نشر بي إتش آي ليرنينج المحدودة. رقم ISBN  9789354438547.
  8. 1 2 "ما هو المبادل الحراري - التعريف" . الهندسة الحرارية . 22-05-2019 . تم الاطلاع عليه بتاريخ 14-04-2026 .
  9. ↑ تشانغ، هاينان؛ شاو، شوانغكوان؛ شو، هونغبو؛ زو، هويمينغ؛ تيان، تشانغتشينغ (2014-07-01). "التبريد المجاني لمراكز البيانات: مراجعة" . مجلة مراجعات الطاقة المتجددة والمستدامة . 35 : 171-182 . doi : 10.1016/j.rser.2014.04.017 . ISSN 1364-0321 . 
  10. ↑ "العلوم الحرارية - مقاييس جوجل سكولار" . scholar.google.com . تم الاطلاع عليه بتاريخ 7 أبريل 2026 .