انتقال گرما؛ رسانش، همرفت و تابش
گرما و دمای جسم چیست؟
برای درک انتقال گرما، ابتدا باید بدانیم گرما چیست. گرما شکلی از انرژی است که به دلیل اختلاف دما بین دو جسم یا بین دو ناحیه از یک جسم، منتقل می‌شود. دما معیاری است برای سنجش میزان گرمی یا سردی یک جسم و مقدار انرژی گرمایی ذخیره‌شده در آن را نشان می‌دهد. همیشه گرما از جسم با دمای بالاتر به جسم با دمای پایین‌تر جریان می‌یابد تا زمانی که دو جسم به یک دمای یکسان برسند؛ حالتی که به آن تعادل گرمایی می‌گویند.
رسانش گرمایی؛ انتقال گرما از ذره به ذره
رسانش، روشی از انتقال گرما است که در آن انرژی گرمایی مستقیماً از طریق برخورد و ارتعاش ذرات یک ماده (اتم‌ها و مولکول‌ها) و بدون حرکت کلی خود ماده منتقل می‌شود. این روش عمدتاً در جامدات، به ویژه فلزات، به خوبی رخ می‌دهد.
وقتی یک سر میله فلزی را حرارت می‌دهیم، مولکول‌های آن ناحیه انرژی بیشتری می‌گیرند و سریع‌تر می‌لرزند. این مولکول‌های پرانرژی با مولکول‌های مجاور خود که آرام‌تر هستند برخورد می‌کنند و بخشی از انرژی خود را به آن‌ها منتقل می‌کنند. این فرآیند به تدریج در طول ماده ادامه می‌یابد تا گرما به انتهای دیگر آن برسد.
که در آن: $ \frac{Q}{t} $ نرخ انتقال گرما (وات)، $ k $ رسانندگی گرمایی ماده، $ A $ سطح مقطع، $ \Delta T $ اختلاف دما و $ d $ ضخامت ماده است.
مثال: وقتی قاشق فلزی را در فنجان چای داغ می‌گذارید، پس از چند لحظه دسته آن نیز داغ می‌شود. این انتقال گرما از طریق رسانش اتفاق افتاده است.
| ماده | رسانایی گرمایی (W/m·K) | نوع ماده |
|---|---|---|
| نقره | 406 | رسانای عالی |
| مس | 385 | رسانای عالی |
| آب | 0.6 | نارسانا |
| چوب پنبه | 0.04 | عایق عالی |
همرفت؛ انتقال گرما با حرکت سیالات
همرفت روشی از انتقال گرما است که در آن انرژی گرمایی توسط حرکت فیزیکی و جریان خود ماده منتقل می‌شود. این روش عمدتاً در مایعات و گازها (که با همدیگر سیال نامیده می‌شوند) اتفاق می‌افتد.
در همرفت، بخشی از سیال که گرم می‌شود، منبسط شده و چگالی آن کاهش می‌یابد. در نتیجه، این بخش گرم‌شده به سمت بالا حرکت می‌کند (چون سبک‌تر است) و بخش‌های سردتر و سنگین‌تر سیال جایگزین آن می‌شوند. این چرخه مداوم، یک جریان همرفتی ایجاد می‌کند که گرما را در سراسر سیال پخش می‌کند.
مثال: گرم شدن یک اتاق توسط رادیاتور. هوای مجاور رادیاتور گرم شده و بالا می‌رود. هوای خنک‌تر اتاق به سمت رادیاتور حرکت می‌کند تا جایگزین آن شود و این چرخه ادامه می‌یابد تا کل اتاق گرم شود.
- همرفت طبیعی: حرکت سیال تنها به دلیل اختلاف چگالی ناشی از گرادیان دما ایجاد می‌شود (مانند جریان هوا در اتاق).
- همرفت اجباری: حرکت سیال توسط یک عامل خارجی مانند پنکه یا پمپ ایجاد می‌شود (مانند سیستم خنک‌کننده خودرو).
تابش گرمایی؛ انتقال انرژی از طریق امواج
تابش، روشی از انتقال گرما است که در آن انرژی به صورت امواج الکترومغناطیسی (عمدتاً مادون قرمز) منتقل می‌شود. برخلاف رسانش و همرفت، تابش برای انتقال انرژی به هیچ محیط مادی نیاز ندارد و حتی در خلا نیز به خوبی اتفاق می‌افتد.
همه اجسام، به دلیل دمای خود، دائماً در حال تابش انرژی هستند. هرچه دمای جسم بیشتر باشد، مقدار انرژی‌ای که تابش می‌کند بیشتر است. وقتی این امواج به جسم دیگری برخورد می‌کنند، می‌توانند جذب شده و دوباره به انرژی گرمایی تبدیل شوند.
مثال: گرمای خورشید که از فضا (یک خلأ تقریباً کامل) عبور می‌کند و به زمین میرسد، از طریق تابش منتقل می‌شود. وقتی در یک روز سرد زمستانی در آفتاب می‌ایستید، احساس گرما می‌کنید زیرا بدن شما امواج تابشی خورشید را جذب می‌کند.
که در آن: $ P $ توان تابش‌شده (وات)، $ \epsilon $ گسیل‌مندی سطح، $ \sigma $ ثابت استفان-بولتزمن، $ A $ مساحت سطح و $ T $ دمای مطلق است.
کاربردهای انتقال گرما در زندگی و فناوری
درک سه روش انتقال گرما به ما کمک می‌کند تا بسیاری از پدیده‌های طبیعی و مصنوعی اطراف خود را توضیح دهیم و فناوری‌های مفیدی را توسعه دهیم.
عایق‌کاری ساختمان: دیوارها با موادی مانند پشم شیشه پر می‌شوند. این مواد دارای هوای به دام افتاده زیادی هستند که یک عایق عالی محسوب می‌شود و از انتقال گرما به روش رسانش (در جامدات) و همرفت (در هوای داخل دیوار) جلوگیری می‌کند.
سیستم‌های گرمایشی: رادیاتورها عمدتاً از همرفت برای گرم کردن هوای اتاق استفاده می‌کنند. اما همچنین مقداری گرما را به روش تابش به اجسام مقابل خود منتقل می‌کنند.
ظروف آشپزی: کف تابه‌ها از مس یا آلومینیوم ساخته می‌شود تا رسانایی بالایی داشته باشد و گرما را به طور یکنواخت در کل سطح پخش کند. دسته‌های آن‌ها از پلاستیک یا چوب ساخته می‌شوند که عایق‌های خوبی هستند و از رسانش گرما به دست کاربر جلوگیری می‌کنند.
خنک‌کننده‌های الکترونیکی: هیت‌سینک‌های (گرماخور) روی پردازنده‌های کامپیوتر، گرما را از طریق رسانش از تراشه داغ جذب می‌کنند و سپس آن را از طریق همرفت (طبیعی یا اجباری با فن) به هوای اطراف منتقل می‌کنند.
اشتباهات رایج و پرسش‌های مهم
بله، هوای ساکن یک عایق بسیار خوب است زیرا رسانایی گرمایی بسیار پایینی دارد. دلیل مؤثر بودن بسیاری از عایق‌ها مانند پشم شیشه یا پلی‌استایرن منبسط‌شده (یونولیت)، به دام انداختن لایه‌های زیادی از هوا در داخل ساختار خود است. البته اگر هوا حرکت کند (همرفت اتفاق بیفتد)، به سرعت گرما را منتقل می‌کند.
این پدیده نمونه‌ای کلاسیک از اثر گلخانه‌ای ناشی از تابش است. نور مرئی خورشید از شیشه عبور می‌کند و صندلی‌ها و داشبورد را گرم می‌کند. این سطوح گرم شده سپس انرژی را به صورت تابش مادون قرمز با طول موج بلندتر ساطع می‌کنند. اما شیشه برای این طول‌موج‌های بلند نسبتاً کدر است و مانع از خروج آن‌ها می‌شود. در نتیجه، انرژی در داخل خودرو به دام می‌افتد و دما به شدت افزایش می‌یابد.
بله، اما فقط از طریق تابش. از آنجایی که در خلا هیچ مولکول هوا یا ماده دیگری وجود ندارد، روش‌های رسانش و همرفت نمی‌توانند رخ دهند. به همین دلیل است که گرمای خورشید می‌تواند از فضای خالی بین خورشید و زمین عبور کند.
پاورقی
1SI (Système International d'Unités): سیستم بین‌المللی واحدها، سیستم استاندارد مدرنی از واحدهای اندازه‌گیری که در سراسر جهان در علم و تجارت استفاده می‌شود.
2Joule (J): ژول، واحد استاندارد SI برای اندازه‌گیری انرژی، کار و گرما. به نام فیزیکدان انگلیسی جیمز ژول نامگذاری شده است.
3W/m·K (Watts per meter-Kelvin): وات بر متر-کلوین، واحد رسانندگی گرمایی. میزان توان انتقال‌یافته بر واحد سطح و بر واحد گرادیان دما را نشان می‌دهد.
4Convection (همرفت): انتقال گرما توسط حرکت فیزیکی یک سیال (مایع یا گاز).
5Radiation (تابش): انتقال انرژی توسط امواج الکترومغناطیسی.