حمل حراري

أنواع الحمل الحراري

وفي هذا الصدد، الحمل الحراري الحر أو الطبيعي: يحدث عندما تكون حركة السائل ناتجة عن قوى الطفو التي تنتج عن اختلافات الكثافة بسبب تغيرات درجة الحرارة داخل السائل. عند عدم وجود مصدر داخلي للحرارة، وعندما يكون السائل على اتصال بسطح ساخن، تتباعد جزيئات السائل وتنتشر، مما يجعل السائل أقل كثافة. ونتيجة لذلك، يتحرك السائل الساخن إلى الأعلى بينما يزداد كثافة السائل البارد فينزلق إلى الأسفل. بالتالي، ينقل الجزء الساخن الحرارة إلى الجزء البارد من السائل. من الأمثلة المألوفة على ذلك تدفق الهواء للأعلى بسبب نار أو جسم ساخن، ودوران الماء في قدر يتم تسخينه من الأسفل.

علاوةً على ذلك، يمكن إجراء تصنيفات إضافية بناءً على نعومة وتعرجات الأسطح الصلبة. ليست جميع الأسطح ناعمة، وأغلب المعلومات المتاحة تتعلق بالأسطح الملساء. تُوجد الأسطح المتموجة وغير المنتظمة بشكل شائع في أجهزة نقل الحرارة مثل المجمعات الشمسية، ومبادلات الحرارة المتجددة، وأنظمة تخزين الطاقة تحت الأرض. تلعب هذه التعرجات دورًا مهمًا في عمليات نقل الحرارة في هذه التطبيقات. وبسبب التعقيد الإضافي الناتج عن التعرجات، يجب التعامل معها باستخدام تقنيات رياضية متقدمة وببساطة أنيقة. كما أن لها تأثيرًا على خصائص التدفق ونقل الحرارة، وبالتالي تتصرف بشكل مختلف عن الأسطح المستقيمة والملساء.

ومن ناحية أخرى، الحمل الحراري المُجبر: يحدث عندما يُجبر السائل على التدفق فوق سطح ما بواسطة مصدر داخلي مثل المراوح، أو التحريك، أو المضخات، مما يخلق تيار حمل صناعي.

علاوةً على ذلك، تجربة بصرية للحمل الحراري الطبيعي: يمكن وضع كوب مملوء بماء ساخن مع بعض الصبغة الحمراء داخل حوض أسماك يحتوي على ماء بارد وشفاف. يمكن رؤية تيارات الصبغة الحمراء وهي ترتفع وتهبط في مناطق مختلفة ثم تستقر تدريجيًا، مما يوضح عملية انتقال الحرارة وتلاشي تدرجاتها.

وفي هذا السياق، في الكثير من التطبيقات العملية (مثل فقدان الحرارة في المجمعات الشمسية المركزية أو تبريد الألواح الشمسية الكهروضوئية)، يحدث الحمل الحراري الطبيعي والمجبر معًا في نفس الوقت، ويُسمى ذلك الحمل المختلط.

وفي هذا الصدد، يمكن كذلك تصنيف الحمل حسب نوع التدفق إلى داخلي وخارجي. يحدث التدفق الداخلي عندما يكون السائل محصورًا داخل حدود صلبة مثل التدفق عبر أنبوب. أما التدفق الخارجي فيحدث عندما يمتد السائل بلا حدود ولا يلتقي بسطح صلب. وكلا النوعين من التدفق يمكن أن يكون حملًا حراريًا طبيعيًا أو مجبرًا، إذ إنهما مستقلان عن بعضهما.

يمكن التمييز بين نوعين من انتقال الحرارة بالحمل:

نظرة عامة

إضافةً إلى ذلك، يمكن أن يكون الحمل الحراري مُجبَرًا عن طريق حركة السائل بوسائل أخرى غير قوى الطفو، مثل مضخة ماء في محرك سيارة. كما يمكن أن تؤدي التمددات الحرارية للسوائل كذلك إلى دفع حركة الحمل. في حالات أخرى، تكون قوى الطفو الطبيعية وحدها مسؤولة بالكامل عن حركة السائل عندما يتم تسخينه، ويُطلق على هذه العملية اسم الحمل الحراري الطبيعي. مثال على ذلك هو السحب الهوائي في المدخنة أو حول أي نار.

وفي هذا الصدد، في الحمل الحراري الطبيعي، يؤدي ارتفاع درجة الحرارة إلى تقليل الكثافة، مما يسبب حركة السائل بفعل الضغوط والقوى عندما تتأثر السوائل ذات الكثافات المختلفة بالجاذبية (أو أي قوة تسارع g). مثلًا، عندما يُسخن الماء على الموقد، يتم دفع الماء الساخن من قاع القدر إلى الأعلى بواسطة السائل الأبرد والأكثف الذي يغوص للأسفل. بعد توقف التسخين، يؤدي المزج والتوصيل الناتج عن هذا الحمل الحراري الطبيعي إلى الحصول على كثافة ودرجة حرارة شبه متجانسة. بدون وجود الجاذبية (أو ظروف تسبب قوة g من أي نوع)، لا يحدث الحمل الحراري الطبيعي، وتعمل فقط أنماط الحمل المُجبر.

قانون نيوتن في التبريد

كذلك، ينص قانون نيوتن على أن معدل فقدان الحرارة لجسم ما يتناسب طرديًا مع الفرق في درجات الحرارة بين الجسم وبيئته المحيطة، وذلك في وجود تيار هوائي (نسيم). وثابت التناسب في هذه العلاقة هو معامل انتقال الحرارة. ينطبق هذا القانون عندما يكون معامل انتقال الحرارة مستقلاً أو شبه مستقل عن الفرق في درجات الحرارة بين الجسم والبيئة.

من جهة ثانية، في انتقال الحرارة بالحمل الطبيعي التقليدي، يعتمد معامل انتقال الحرارة على درجة الحرارة نفسها. ومع ذلك، فإن قانون نيوتن يُعطي على وجه التقريب جيدًا للواقع عندما تكون التغيرات في درجة الحرارة صغيرة نسبيًا، وكذلك في حالات التبريد بواسطة هواء مجبر أو سائل مضخَّم، حيث لا تزداد سرعة السائل مع زيادة فرق درجة الحرارة.

في هذا الإطار، يُشار أحيانًا بشكل غير دقيق إلى أن التبريد بالحمل الحراري يمكن وصفه بقانون نيوتن في التبريد.

انتقال الحرارة بالحمل

Q˙ هو معدل انتقال الحرارة لكل وحدة زمن،

وفي السياق ذاته، يعتمد معامل انتقال الحرارة بالحمل على الخصائص الفيزيائية للسائل والظروف الفيزيائية المحيطة. وقد تم قياس قيم h وتوثيقها لمجموعة من السوائل والظروف التدفقية الشائعة.

• انظر كذلك
• حمل حراري للدثار
• مستوى التجمد
• تبريد بالسائل

T هي درجة حرارة سطح الجسم،

Tf هي درجة حرارة السائل المحيط.

• العلاقة الأساسية لانتقال الحرارة بالحمل هي:
• Q˙=hA(T−Tf)
• حيث:

A هي مساحة سطح الجسم،

h هو معامل انتقال الحرارة بالحمل،