تبادل گرما: انتقال انرژی گرمایی بین اجسام با دماهای متفاوت

تبادل گرما: سفر انرژی از جایی گرم‌تر به جایی سردتر

گرما و دما: نقطه شروع سفر انرژی

پیش از پرداختن به چگونگی تبادل گرما، باید دو مفهوم کلیدی را از هم جدا کنیم: دما⁵ و گرما⁶. دمای یک جسم، معیاری از میانگین انرژی جنبشی⁷ ذرات تشکیل‌دهنده آن (اتم‌ها و مولکول‌ها) است. وقتی دماسنج عدد بیشتری را نشان می‌دهد، یعنی ذرات سریع‌تر در حال حرکت و برخورد هستند. اما گرما شکلی از انرژی است که به دلیل اختلاف دما بین دو سیستم منتقل می‌شود. برای درک بهتر، یک فنجان چای داغ و یک استخر بزرگ آب با دمای ملایم را در نظر بگیرید. فنجان چای دمای بالاتری دارد (ذراتش پرانرژی‌ترند) اما استخر آب، به دلیل حجم بسیار زیادش، دارای گرمای کل بیشتری است. گرما همیشه از ناحیه با دمای بالاتر (چای داغ) به ناحیه با دمای پایین‌تر (هوای اتاق یا قاشق فلزی) جریان می‌یابد و این جریان تا زمانی ادامه دارد که دو جسم به تعادل گرمایی⁸ برسند، یعنی دمای یکسانی پیدا کنند.

سه مسیر اصلی سفر گرما

انرژی گرمایی می‌تواند از طریق سه مکانیسم کاملاً متمایز منتقل شود. انتخاب این مسیر به ماهیت مواد و محیط بین آن‌ها بستگی دارد.

هدایت گرمایی: از مولکولی به مولکول دیگر

وقتی یک سر میله فلزی را روی شعله می‌گیرید، پس از مدتی سر دیگر آن نیز داغ می‌شود. این اتفاق چگونه می‌افتد؟ در روش هدایت، ذرات پرانرژی‌تر (در قسمت داغ) با ذرات مجاور کم‌انرژی‌تر برخورد کرده و بخشی از انرژی خود را به آن‌ها منتقل می‌کنند. این زنجیره برخوردها در طول ماده ادامه یافته و گرما را منتقل می‌کند. رسانایی گرمایی¹¹ مواد مختلف یکسان نیست. فلزاتی مانند مس و آلومینیوم رسانای بسیار خوبی هستند، در حالی که چوب، پلاستیک و هوا رسانای ضعیفی (عایق خوبی) برای گرما محسوب می‌شوند. این تفاوت در طراحی بسیاری از وسایل استفاده می‌شود. مثلاً دسته قابلمه‌ها از پلاستیک یا چوب ساخته می‌شود تا گرما را به خوبی هدایت نکنند و دست ما را نسوزانند.

میزان گرمای منتقل شده توسط هدایت به عوامل مختلفی بستگی دارد که می‌توان آن را به صورت ساده‌شده بیان کرد: هرچه اختلاف دما بیشتر، سطح مقطع بیشتر، ضخامت کمتر و رسانایی ماده بیشتر باشد، انتقال گرما سریع‌تر رخ می‌دهد.

همرفت: رقص چرخشی در مایعات و گازها

این روش، مخصوص سیالات (مایعات و گازها) است. با گرم شدن سیال از پایین، مولکول‌های آن منبسط شده و چگالی آن‌ها کاهش می‌یابد. در نتیجه، این بخش سبک‌تر به سمت بالا حرکت می‌کند و بخش سردتر و سنگین‌تر از بالا به پایین می‌آید تا جای خالی را پر کند. به این ترتیب یک چرخه یا سلول همرفتی شکل می‌گیرد که به طور مداوم گرما را در حجم سیال پخش می‌کند. جریان همرفتی اجباری زمانی است که برای افزایش سرعت انتقال گرما، از پمپ یا فن استفاده می‌کنیم، مانند رادیاتور ماشین که دارای پمپ آب است، یا فن داخل کیس کامپیوتر که هوای داغ را به بیرون می‌راند.

یک آزمایش ساده: چند قطره رنگ غذا را در انتهای یک بطری شیشه‌ای پر از آب سرد بریزید. سپس بطری را به آرامی روی یک منبع حرارتی مثل شمع قرار دهید. خواهید دید که رنگ، مسیر حرکت آب گرم به سمت بالا و سپس آب خنک‌تر به سمت پایین را به وضوح نشان می‌دهد. این یک سلول همرفتی زیبا است.

تابش گرمایی: سفر انرژی در قالب امواج نامرئی

برخلاف دو روش قبلی، تابش برای انتقال خود به هیچ ماده‌ای نیاز ندارد. گرمای خورشید از فضای تقریباً خالی بین خورشید و زمین عبور می‌کند. همه اجسام، بسته به دمای خود، امواج الکترومغناطیس تابش می‌کنند. اجسام بسیار داغ (مانند خورشید یا رشته لامپ) نور مرئی هم تابش می‌کنند. اما اجسام با دمای معمولی (مثل بدن ما یا یک لیوان آب گرم) بیشتر در ناحیه مادون قرمز¹² تابش می‌کنند که چشم ما آن را نمی‌بیند اما پوست ما آن را به صورت گرما حس می‌کند یا دوربین‌های مخصوص می‌توانند آن را ثبت کنند.

میزان انرژی تابشی یک جسم با توان چهارم دمای مطلق آن رابطه مستقیم دارد ($P \propto T^4$). یعنی اگر دمای یک جسم را دو برابر کنیم، مقدار انرژی که تابش می‌کند 16 (2⁴) برابر می‌شود! رنگ و جنس سطح نیز بر تابش مؤثر است: سطوح تیره و مات، هم تابش و هم جذب بهتری دارند، در حالی که سطوح روشن و براق، تابش و جذب کمتری دارند (انعکاس بیشتری دارند). به همین دلیل است که در تابستان، پوشیدن لباس سفید خنک‌تر از لباس مشکی است.

تبادل گرما در خدمت فناوری و زندگی روزمره

مهندسان با درک دقیق اصول تبادل گرما، دستگاه‌های مفید و کارآمدی می‌سازند که زندگی ما را راحت‌تر کرده‌اند. هدف در این طراحی‌ها اغلب کنترل و بهینه‌سازی انتقال گرما است: گاهی باید گرما را به سرعت منتقل کرد (مانند رادیاتور خودرو یا هیت‌سینک¹³ پردازنده کامپیوتر) و گاهی باید از انتقال آن جلوگیری کرد (مانند فلاسک چای یا دیوارهای عایق‌بندی شده خانه).

مثال عملی ۱: فلاسک (ترموس) یک شاهکار مهندسی برای جلوگیری از هر سه روش انتقال گرماست. دیواره دو جداره آن که بین جداره‌ها هوا تخلیه شده، همرفت و هدایت را به حداقل می‌رساند. سطح داخلی آن نیز با نقره پوشانده شده تا تابش گرمایی را منعکس کند و از خروج گرما جلوگیری نماید.

مثال عملی ۲: سیستم گرمایش مرکزی خانه ترکیبی هوشمندانه از روش‌هاست. در دیگ یا پکیج، گرما از طریق احتراق (تابش و هدایت به لوله‌ها) به آب منتقل می‌شود. سپس پمپ، آب گرم (همرفت اجباری) را به داخل رادیاتورها می‌فرستد. رادیاتور فلزی گرم می‌شود (هدایت) و هوای اطراف خود را گرم می‌کند. هوای گرم بالا می‌رود و هوای سرد جای آن را می‌گیرد و یک چرخه همرفتی طبیعی در اتاق ایجاد می‌کند. همچنین رادیاتور گرم، تابش مادون قرمز نیز دارد.

اشتباهات رایج و پرسش‌های مهم

پاورقی

¹ انتقال حرارت (Heat Transfer).
² هدایت (Conduction).
³ همرفت (Convection).
⁴ تابش (Radiation).
⁵ دما (Temperature).
⁶ گرما (Heat).
⁷ انرژی جنبشی (Kinetic Energy).
⁸ تعادل گرمایی (Thermal Equilibrium).
⁹ ژول (Joule).
¹⁰ کالری (Calorie).
¹¹ رسانایی گرمایی (Thermal Conductivity).
¹² مادون قرمز (Infrared).
¹³ هیت‌سینک (Heat Sink): قطعه‌ای فلزی با پره‌های زیاد برای دفع حرارت از قطعات الکترونیکی.