مهندسان کاربردهای انرژی حرارتی را در صنایع کلیدی ارتقا می‌دهند

در رشته‌های مهندسی که شامل تبدیل انرژی، مدیریت حرارتی و طراحی سیستم هستند، درک کاملی از علم انرژی حرارتی ضروری است. این حوزه تولید، انتقال، تبدیل و استفاده از انرژی حرارتی را بررسی می‌کند و ترمودینامیک، انتقال حرارت و مکانیک سیالات را در بر می‌گیرد. این مقاله یک تجزیه و تحلیل جامع از مفاهیم اصلی، اصول اساسی و کاربردهای مهندسی در دنیای واقعی ارائه می‌دهد تا یک پایه محکم در علم انرژی حرارتی ایجاد کند.

ترمودینامیک سنگ بنای علم انرژی حرارتی را تشکیل می‌دهد و فرآیندهای تبدیل انرژی را - به ویژه بین انرژی حرارتی و سایر اشکال انرژی - تنظیم می‌کند. چهار قانون اساسی چارچوبی را برای درک رفتار حرارتی ایجاد می‌کنند.

قانون اول اصول حفظ انرژی را برای سیستم‌های ترمودینامیکی اعمال می‌کند و بیان می‌کند که انرژی را نمی‌توان ایجاد یا نابود کرد - فقط تبدیل یا منتقل می‌شود. برای سیستم‌های بسته، تغییر انرژی برابر است با گرمای جذب شده منهای کار انجام شده:

ΔU = Q - W

که در آن ΔU نشان دهنده تغییر انرژی داخلی، Q نشان دهنده گرمای جذب شده و W نشان دهنده خروجی کار است. انرژی داخلی شامل تمام انرژی جنبشی و پتانسیل مولکولی است. این اصل برای تجزیه و تحلیل تعادل انرژی در سیستم‌هایی مانند موتورهای احتراق داخلی که در آن انرژی شیمیایی به انرژی حرارتی و متعاقباً به کار مکانیکی تبدیل می‌شود، بسیار مهم است.

این قانون جهت‌گیری تبدیل انرژی را تنظیم می‌کند و بیان می‌کند که فرآیندهای طبیعی آنتروپی - معیاری از بی‌نظمی سیستم - را افزایش می‌دهند. فرمول‌بندی‌های کلیدی عبارتند از:

• عبارت کلاوزیوس: گرما نمی‌تواند به طور خود به خود از اجسام سرد به اجسام گرم جریان یابد
• عبارت کلوین-پلانک: هیچ فرآیند چرخه‌ای نمی‌تواند گرما را به طور کامل به کار تبدیل کند

پیامدهای این قانون برای راندمان انرژی عمیق است و نشان می‌دهد که تبدیل انرژی کامل به دلیل تلفات اجتناب‌ناپذیر غیرممکن است.

با نزدیک شدن دما به صفر مطلق (-273.15°C)، آنتروپی سیستم به حداقل مقادیر نزدیک می‌شود. این اصل زیربنای پدیده‌های فیزیک در دمای پایین مانند ابررسانایی است.

این قانون اساسی بیان می‌کند که سیستم‌های در تعادل حرارتی با یک سیستم سوم باید با یکدیگر در تعادل باشند و اساس اندازه‌گیری دما را تشکیل می‌دهند.

علم انتقال حرارت حرکت انرژی حرارتی را از طریق سه مکانیسم اصلی بررسی می‌کند: هدایت، همرفت و تابش.

هدایت انتقال حرارت را از طریق فعل و انفعالات مولکولی توصیف می‌کند که توسط قانون فوریه تنظیم می‌شود:

Q = -kA(dT/dx)

که در آن k نشان دهنده رسانایی حرارتی، A نشان دهنده ناحیه انتقال و dT/dx گرادیان دما را نشان می‌دهد. فلزات رسانایی بالایی را نشان می‌دهند در حالی که عایق‌ها مقادیر کمی را نشان می‌دهند.

همرفت شامل انتقال حرارت از طریق حرکت سیال است که به عنوان طبیعی (ناشی از شناوری) یا اجباری (مکانیکی) طبقه‌بندی می‌شود. قانون سرمایش نیوتن انتقال حرارت همرفتی را توصیف می‌کند:

Q = hA(T _s - T _∞ )

که در آن h نشان دهنده ضریب همرفت است که توسط خواص سیال و شرایط جریان تعیین می‌شود.

تابش حرارتی از طریق امواج الکترومغناطیسی رخ می‌دهد و از قانون استفان-بولتزمن پیروی می‌کند:

Q = εσAT ⁴

که در آن ε نشان دهنده گسیل و σ نشان دهنده ثابت استفان-بولتزمن (5.67×10 ^-8 W/m ² K ⁴ ).

کاربردهای مهندسی عملی اغلب شامل مکانیسم‌های انتقال حرارت همزمان است که نیاز به تجزیه و تحلیل جامع از طریق رویکردهای مدل‌سازی ساده شده دارد.

مکانیک سیالات حرکت مایع و گاز را مطالعه می‌کند و به طور بحرانی بر فرآیندهای انتقال حرارت همرفتی از طریق خواصی مانند چگالی، ویسکوزیته و کشش سطحی تأثیر می‌گذارد.

این دستگاه‌های ضروری انتقال انرژی حرارتی بین سیالات را تسهیل می‌کنند، با ملاحظات طراحی شامل:

• الزامات عملکرد حرارتی
• محدودیت‌های افت فشار
• محدودیت‌های اقتصادی و فضایی

این فناوری‌ها از تغییرات فاز مبرد برای کاربردهای خنک‌کننده استفاده می‌کنند و از چرخه‌های فشرده‌سازی یا جذب استفاده می‌کنند و در عین حال به نگرانی‌های زیست‌محیطی از طریق انتخاب مبرد می‌پردازند.

روش‌های ذخیره‌سازی شامل گرمای محسوس (تغییر دما)، گرمای نهان (تغییر فاز) و ذخیره‌سازی ترموشیمیایی است که کاربردهایی در استفاده از انرژی خورشیدی و بازیابی حرارت اتلافی صنعتی دارد.

روش‌های محاسباتی مانند تجزیه و تحلیل المان محدود و دینامیک سیالات محاسباتی، طراحی و بهینه‌سازی سیستم حرارتی پیچیده را امکان‌پذیر می‌کنند.

فناوری‌های اندازه‌گیری از جمله حسگرهای دما، دبی‌سنج‌ها و سیستم‌های جمع‌آوری داده، اعتبار تجربی را برای مدل‌های نظری فراهم می‌کنند.

فناوری‌های تجدیدپذیر نوظهور مانند انرژی خورشیدی، بادی و زمین‌گرمایی نشان‌دهنده تحولات حیاتی در علم انرژی حرارتی هستند.

پیشرفت‌ها بر بهبود راندمان انرژی، منابع انرژی جدید، سیستم‌های انرژی هوشمند و اقدامات حفاظت از محیط زیست متمرکز خواهد بود.

علم انرژی حرارتی برای مقابله با چالش‌های جهانی انرژی حیاتی است و نوآوری مستمر نویدبخش کمک‌های قابل توجهی به توسعه پایدار است.