انتقال حرارت

انتقال حرارت (Heat transfer)‏ قسمتی از رشته مهندسی مکانیک یا مهندسی شیمی است که در مورد انتقال و تغییرات انرژی گرمایی بین سیستم‌های فیزیکی صحبت می کند. انتقال گرما به روش های مختلفی انجام می‌شود مانند رسانش، انتقال، تشعشع و انتقال انرژی با تغییرات فازی.

شیوه‌های بنیادی انتقال گرما عبارتند از:

رسانش (Conduction)

رسانش که نفوذ نیز نامیده می‌شود تغییر انرژی جنبشی ذرات از طریق مرز بین دو سیستم است. هنگامی که یک شئ در دمایی متفاوت با جسم دیگر یا با محیط اطرافش باشد، گرما جریان می‌یابد و جسم و محیط اطراف دمای مشابه به دست می‌آورند که در این نقطه آن‌ها در تعادل گرمایی هستند. این انتقال گرما خود بخودی بر طبق قانون دوم ترمودینامیک همیشه از ناحیه با دمای بالا به ناحیه دیگر با دمای پایین تر اتفاق می‌افتد.

در مقیاس میکروسکوپیک، رسانش گرمایی در اتم‌ها و مولکول‌های در حال ارتعاش و برخورد و برهم‌کنش آن‌ها با مولکول‌ها و اتم‌های مجاور صورت می‌گیرد که بخشی از انرژی خود (گرما) را به ذرات همسایه منتقل می‌کنند. به عبارت دیگر، هنگامی که اتم‌های مجاور انرژی جنبشی خود (گرما) را به یکدیگر منتقل می کنند رسانش رخ داده است.

رسانش مهمترین روش انتقال گرما داخل جامد یا بین اجسام جامد که در تماس گرمایی هستند می‌باشد. سیالات -به ویژه گازها- رسانش کمتری دارند. تماس رسانشی گرمایی، مطالعه انتقال گرما بین اجسام جامد در تماس است. رسانش حالت پایا شکلی از رسانش است که هنگامی که اختلاف دمایی که موجب رسانش می‌شود ثابت باشد، اتفاق می‌افتد. بنابراین بعد از لحظه تعادل، توزیع مکانی درجه گرما در جسم در حال رسانش خیلی تغییر نمی‌کند. در رسانش حالت پایا مقدار گرمای وارده به یک مکان برابر مقدار گرمای خارج شده‌است.

رسانش ناپایا (گذرا) هنگامی که دمای داخل جسم به عنوان تابعی از زمان تغییر می‌کند اتفاق می‌افتد. آنالیز سیستم‌های ناپایا پیچیده تر است و اغلب به برنامه‌های آنالیز عددی و نظریه‌های تقریبی و استفاده ازکامپیوترنیاز است.

همرفت(Convection)

هنگامی که جریان توده‌ای سیال (مایع یا گاز) گرما را همراه جریان ماده در سیال حمل می‌کند همرفت اتفاق می‌افتد. جریان سیال ممکن است با فرایندهای بیرونی به صورت اجباری ایجاد شود یا گاهی اوقات توسط نیروهای رانشی ایجاد شود (به عنوان مثال در یک ستون آتش).

انتقال گرمای همرفتی یا همرفت، درواقع انتقال گرما از یک مکان به مکان دیگر به وسیله حرکت سیال می‌باشد. همرفت فرایندی است که در آن انتقال گرما اساسا از طریق انتقال جرم اتفاق می‌افتد (در فیزیک، سیال به هر ماده‌ای که تحت تنش‌های برشی تغییر فرم پیدا می‌کند گفته می‌شود. مانند: مایع‌ها، گازها، پلاسماها و برخی از جامدهای پلاستیکی). حرکت توده‌ای سیال، انتقال گرما را در بسیاری از موقعیت‌های فیزیکی (برای مثال سطح بین جامد و مایع) افزایش می‌دهد. همرفت گاهی اوقات شکل غالب انتقال گرما در مایعات و گازهاست. اگر چه گاهی اوقات به عنوان یک روش سوم انتقال گرما مورد بحث قرار می‌گیرد. همچنین گاهی اوقات برای شرح اثرات توام رسانش گرمایی داخل مایع (نفوذ) و انتقال گرما به وسیله جریان توده سیال مورد استفاده قرار می‌گیرد.

فرایند انتقال به وسیله جریان سیال به عنوان advection (حرکت افقی توده‌ای در اثر تغییر دما) مورد استفاده قرار می‌گیرد؛ اما advection خالص ترمی است که عموما تنها همراه با انتقال جرم در سیالات است؛ مانند advection سنگریزه‌ها در رودخانه.

همرفت طبیعی یا آزاد هنگامی ایجاد می‌شود که حرکت توده‌ای سیال به وسیله نیروهای شناوری که نتیجه تغییرات چگالی بر اثرتغییرات دما در سیال است، اتفاق می‌افتد. همرفت اجباری اصطلاحی است که هنگامی که جریان در سیال به وسیله ابزارهای خارجی مانند پره، استیرر و پمپ ها- که ایجاد همرفت مصنوعی می‌کنند، مورد استفاده قرار می‌گیرد.

همرفت گرمایشی یا سرمایشی در بسیاری مواقع ممکن است به وسیله قانون سرمایش نیوتون شرح داده شود: «میزان از دست دادن گرما در یک جسم متناسب با اختلاف دمایی بین جسم و محیط اطراف است.» با این وجود، درستی قانون سرمایش نیوتون نیازمند این است که میزان از دست دادن گرما از طریق همرفت تابع خطی از اختلاف دمایی که ایجاد انتقال گرما می‌کند باشد و در همرفت سرمایشی، گاهی اوقات اینچنین نیست.

به طور کلی همرفت وابستگی خطی به گرادیان دمایی ندارد و در بعضی مواقع به شدت غیر خطی است. در این موارد، قانون نیوتون به کار نمی‌رود.

تابش (Radiation)

شکل عمده انتقال گرما با تابش است که در هر محیط شفافی (جامد یا سیال) اتفاق می‌افتد اما این نوع از انتقال حرارت نیاز به ماده ندارد و حتی در خلا نیز اتفاق می افتد. تابش در واقع انتقال انرژی گرمایی در فضای خالی به وسیله امواج الکترومغناطیسی است. تابش گرمایی از همه اجسامی که دارای دمای بالاتر از صفر مطلق هستند ساتع می شود.

انتقال جرم (Advection)

در انتقال جرم، انرژی از جمله انرژی گرمایی با انتقال فیزیکی از جسم گرم به جسم سرد از یک مکان به مکان دیگر حرکت می‌کند. این می‌تواند به سادگی با قرار دادن آب گرم در بطری و گرم کردن بستر آن و یا حرکت کوه یخ در تغییرات جریانهای اقیانوسی باشد؛ ویک مثال عملی هیدرولیک گرمایی است.