پنج روش رایج انتقال حرارت توضیح داده شده است

از گرم شدن زمین توسط نور خورشید تا یک فنجان قهوه بخار که دستان شما را گرم می کند، انتقال حرارت یک پدیده همه‌جا حاضر است که تجربیات روزانه ما را شکل می دهد. این فرآیند فیزیکی اساسی نه تنها بر راحتی تأثیر می گذارد، بلکه نقش های مهمی در عملیات صنعتی و استفاده از انرژی در سراسر تمدن مدرن ایفا می کند.

انتقال حرارت حرکت خود به خودی انرژی حرارتی از اجسام یا سیستم های گرمتر به اجسام سردتر را توصیف می کند و تا زمانی که تعادل حرارتی حاصل شود، ادامه می یابد. در حالی که سه مکانیسم اصلی بر بیشتر انتقال حرارت حاکم هستند - هدایت، همرفت و تابش - دو شکل اضافی نیز اغلب در کاربردهای عملی ظاهر می شوند.

1. هدایت حرارتی

هدایت زمانی رخ می دهد که گرما از طریق برخورد مولکولی در داخل مواد منتقل می شود، که عمدتاً جامداتی هستند که ذرات در آن متراکم هستند. انرژی جنبشی از طریق ارتعاشات اتمی متوالی بدون حرکت توده ای مواد منتشر می شود. هنگام نگه داشتن یک نوشیدنی داغ، گرما از طریق دیواره های فنجان به دستان شما هدایت می شود. فلزات به دلیل الکترون های آزاد خود در هدایت حرارتی عالی هستند، در حالی که چوب و پلاستیک در برابر هدایت مقاومت می کنند.

2. همرفت حرارتی

همرفت شامل انتقال حرارت از طریق حرکت سیال (مایعات یا گازها) است. با گرم شدن سیالات، چگالی آنها کاهش می یابد و باعث حرکت رو به بالا می شود در حالی که سیال سردتر پایین می آید و جریان های چرخشی ایجاد می کند. سیستم های گرمایشی خانگی از این اصل استفاده می کنند - رادیاتورها هوای مجاور را گرم می کنند که بالا می رود و هوای سردتر را به سمت پایین جابجا می کند تا چرخه های همرفت ایجاد شود. پدیده های طبیعی مانند گردش جوی و جریان های اقیانوسی، همرفت را در مقیاس های سیاره ای نشان می دهند.

3. تابش حرارتی

همه اجسام تابش الکترومغناطیسی متناسب با دمای خود ساطع می کنند که نیازی به محیطی برای انتشار ندارد. انرژی خورشید از طریق خلاء فضا از طریق تابش به زمین می رسد. کاربردهای عملی شامل اجاق های مایکروویو است که در آن فرکانس های تابشی خاص مولکول های آب را تحریک می کنند تا گرما تولید کنند. بر خلاف هدایت و همرفت، اثربخشی انتقال تشعشعی به خواص سطح و عوامل دید بین اجسام بستگی دارد.

4. انتقال حرارت تغییر فاز

تغییرات فاز - مانند ذوب، تبخیر، انجماد یا میعان - شامل جذب یا آزاد شدن گرمای قابل توجهی بدون تغییر دما است. یخ که گرما را برای ذوب شدن جذب می کند یا آب در حال جوشیدن که بخار می شود، نمونه ای از این مکانیسم است. سیستم های تبرید از اصول تغییر فاز استفاده می کنند، جایی که مبردها به طور متناوب تبخیر و میعان می شوند تا گرما را در برابر گرادیان های طبیعی حرکت دهند.

5. انتقال حرارت محسوس

این شکل، تبادل انرژی حرارتی را بدون تغییر فاز توصیف می کند، جایی که تفاوت های دما مستقیماً باعث جریان گرما می شود. خشک کردن لباس با سشوار، انتقال محسوس را نشان می دهد، زیرا هوای گرم دمای پارچه را افزایش می دهد و تبخیر رطوبت را تسریع می بخشد. بر خلاف فرآیندهای تغییر فاز، تغییرات دما در اینجا مستقیماً با گرمای اضافه شده یا حذف شده از سیستم مرتبط است.

تسلط بر اصول انتقال حرارت، پیشرفت های تکنولوژیکی را از طراحی ساختمان های کم مصرف انرژی تا تولید دقیق امکان پذیر می کند. چه بهینه سازی تکنیک های پخت و پز یا توسعه راه حل های پایدار انرژی، درک این جریان های انرژی نامرئی برای نوآوری در رشته های علمی و مهندسی اساسی است.