الحمل الحراري الطبيعي. أنواع الحمل وكيف تختلف

معامل التوصيل الحراري عند درجة حرارة الغرفة.

ترتيب مقدار معامل التوصيل الحراري للمواد المختلفة.

الحملهذه هي الطريقة الثانية لنقل الحرارة في الفضاء.

الحمل- هذا هو انتقال الحرارة في السوائل والغازات مع توزيع غير متساوٍ لدرجة الحرارة بسبب حركة الجسيمات الكبيرة.

يسمى نقل الحرارة مع الأحجام العيانية للمادة نقل الحرارة بالحمل، أو ببساطة الحمل.

انتقال الحرارة بين السطح السائل والصلب. هذه العملية لها اسم خاص. نقل الحرارة بالحمل(تنتقل الحرارة من السائل إلى السطح أو العكس)

لكن الحمل الحراري في شكله النقي غير موجود ؛ إنه دائمًا ما يكون مصحوبًا بالتوصيل الحراري ، ويسمى هذا الانتقال الحراري المشترك نقل الحرارة بالحمل.

تسمى عملية التبادل الحراري بين سطح الجسم الصلب والسائل التشتت الحراريوسطح الجسم الذي تنتقل الحرارة من خلاله - سطح نقل الحرارة أو سطح نقل الحرارة.

انتقال الحرارةهو انتقال الحرارة من سائل إلى آخر عبر جدار صلب يفصل بينهما.

أنواع حركة السوائل.يميز بين الحمل القسري والطبيعي. تسمى الحركة قسريإذا حدث بسبب قوى خارجية لا علاقة لها بعملية نقل الحرارة. على سبيل المثال ، بسبب توصيل الطاقة إليها بواسطة مضخة أو مروحة. تسمى الحركة مجانا، إذا تم تحديده من خلال عملية نقل الحرارة ويحدث بسبب الاختلاف في كثافة جزيئات السوائل الكبيرة الساخنة والباردة.

أنماط الحركة والسوائل.يمكن أن تكون حركة السوائل ثابتة وغير ثابتة. أنشئتتسمى هذه الحركة التي لا تتغير فيها السرعة في جميع النقاط في الفضاء الذي يشغله السائل مع مرور الوقت. إذا تغيرت سرعة التدفق بمرور الوقت (من حيث الحجم أو الاتجاه) ، فستكون الحركة عابر.

وضعان تجريبيًا لحركة السوائل: رقائقي واضطراب. في تدفق الصفحيتتحرك جميع جزيئات السوائل بالتوازي مع بعضها البعض ومع الأسطح المحيطة. في الوضع المضطربتتحرك جزيئات السائل بشكل عشوائي وغير منظم. جنبًا إلى جنب مع الحركة الموجهة على طول التدفق ، يمكن للجسيمات أن تتحرك عبر التدفق ونحوه. في هذه الحالة ، تتغير سرعة السائل باستمرار من حيث الحجم والاتجاه.

اختيار الأنظمة الصفائحية والمضطربة له أهمية عظيمة، لأن آلية نقل الحرارة في السوائل ستكون مختلفة حسب الوضع. في النظام الرقائقي ، يتم نقل الحرارة في الاتجاه العرضي للتدفق فقط عن طريق التوصيل الحراري ، وفي اتجاه التدفق يتم نقلها فقط عن طريق التوصيل الحراري ، وفي حالة الاضطراب ، بالإضافة إلى ذلك ، بسبب الدوامات المضطربة ، أو الحمل الحراري.

مفهوم الطبقة الحدودية.أظهرت الدراسات أنه في تدفق السائل اللزج الذي يغسل الجسم ، كلما اقترب من سطحه ، تنخفض السرعة وتصبح مساوية للصفر على السطح نفسه. الاستنتاج القائل بأن سرعة سائل ملقى على سطح الجسم تساوي صفرًا يسمى فرضية الالتصاق. إنه صالح طالما يمكن اعتبار السائل كوسيط مستمر.

دع تدفق السوائل غير المحدود يتحرك على طول سطح مستو (الشكل). سرعة المائع البعيدة عنها تساوي w0 ، وعلى السطح نفسه ، وفقًا لفرضية عدم الانزلاق ، تساوي الصفر. لذلك ، بالقرب من السطح هناك طبقة من السائل المتجمد تسمى طبقة الحدود الديناميكية، حيث تتراوح السرعة من 0 إلى ...... نظرًا لأن السرعة في الطبقة الحدودية تقترب w 0 بشكل مقارب ، يتم تقديم التعريف التالي لسمكها: سمك طبقة الحدود الديناميكيةهي المسافة من السطح التي تختلف فيها السرعة عن w0 بمقدار معين ، عادةً 1٪.

عندما يتحرك المرء على طول السطح ، يزداد سمك الطبقة الحدودية. أولاً ، يتم تكوين طبقة حدية رقائقية ، تصبح غير مستقرة مع زيادة السماكة وتنهار ، وتتحول إلى طبقة حدية مضطربة. ومع ذلك ، حتى هنا ، بالقرب من السطح ، يتم الاحتفاظ بطبقة سفلية رقيقة ......... ، حيث يتحرك السائل بشكل رقائقي. على التين. يوضح التغير في السرعة داخل الصفيحة (القسم الأول) والاضطراب (القسم الثاني) على طول

الحمل- نقل الحرارة عن طريق تحريك جزيئات المادة. يحدث الحمل الحراري فقط في المواد السائلة والغازية ، وكذلك بين وسط سائل أو غازي وسطح الجسم الصلب. في هذه الحالة ، هناك انتقال للحرارة والتوصيل الحراري. يسمى التأثير المشترك للحمل الحراري والتوصيل الحراري في المنطقة الحدودية بالقرب من السطح بنقل الحرارة بالحمل الحراري.

يحدث الحمل الحراري على الأسطح الخارجية والداخلية لأسوار المبنى. يلعب الحمل الحراري دورًا مهمًا في التبادل الحراري للأسطح الداخلية للغرفة. في قيم مختلفةدرجة حرارة السطح والهواء المجاور له ، هناك انتقال للحرارة نحو درجة حرارة أقل. يعتمد التدفق الحراري المنقول بالحمل الحراري على طريقة حركة السائل أو الغاز الذي يغسل السطح ، وعلى درجة حرارة وكثافة ولزوجة الوسط المتحرك ، وعلى خشونة السطح ، وعلى الاختلاف بين درجات حرارة السطح وما يحيط به متوسط.

تستمر عملية التبادل الحراري بين السطح والغاز (أو السائل) بشكل مختلف اعتمادًا على طبيعة حدوث حركة الغاز. يميز الحمل الحراري الطبيعي والقسري.في الحالة الأولى ، تحدث حركة الغاز بسبب اختلاف درجة الحرارة بين السطح والغاز ، في الحالة الثانية - بسبب قوى خارجية لهذه العملية (تشغيل المروحة ، الرياح).

يمكن أن يكون الحمل القسري في الحالة العامة مصحوبًا بعملية الحمل الحراري الطبيعي ، ولكن نظرًا لأن شدة الحمل القسري تتجاوز بشكل ملحوظ شدة الحمل الحراري الطبيعي ، عند التفكير في الحمل الحراري القسري ، غالبًا ما يتم إهمال الحمل الطبيعي.

في المستقبل ، سيتم النظر فقط في العمليات الثابتة لنقل الحرارة بالحمل الحراري ، على افتراض أن السرعة ودرجة الحرارة ثابتة في الوقت المناسب في أي نقطة في الهواء. ولكن نظرًا لأن درجة حرارة عناصر الغرفة تتغير ببطء إلى حد ما ، يمكن أن تمتد التبعيات التي تم الحصول عليها للظروف الثابتة إلى العملية الظروف الحرارية غير الثابتة للغرفة، وفي كل لحظة تعتبر عملية انتقال الحرارة بالحمل الحراري على الأسطح الداخلية للأسوار ثابتة. يمكن أيضًا تمديد الاعتمادات التي تم الحصول عليها للظروف الثابتة إلى حالة التغيير المفاجئ في طبيعة الحمل الحراري من الطبيعي إلى القسري ، على سبيل المثال ، عندما يكون جهاز إعادة التدوير لتسخين الغرفة (ملف المروحة أو نظام الانقسام في وضع المضخة الحرارية) قيد التشغيل في الغرفة. أولاً ، يتم إنشاء وضع حركة الهواء الجديد بسرعة ، وثانيًا ، الدقة المطلوبة للتقييم الهندسي لعملية نقل الحرارة أقل من عدم الدقة المحتملة بسبب عدم التصحيح. تدفق الحرارةخلال الحالة الانتقالية.

بالنسبة للممارسة الهندسية لحسابات التدفئة والتهوية ، يعد نقل الحرارة بالحمل الحراري بين سطح غلاف المبنى أو الأنبوب والهواء (أو السائل) أمرًا مهمًا. في الحسابات العملية ، لتقدير تدفق الحرارة بالحمل الحراري (الشكل 3) ، تُستخدم معادلات نيوتن:

أين ف ل- تدفق الحرارة ، W ، المنقولة بالحمل الحراري من الوسط المتحرك إلى السطح أو العكس ؛

تا- درجة حرارة الهواء الذي يغسل سطح الجدار ، o C ؛

τ - درجة حرارة سطح الجدار ، درجة مئوية ؛

α إلى- معامل انتقال الحرارة بالحمل الحراري على سطح الجدار ، W / m 2. o C.

شكل 3 التبادل الحراري الحراري للجدار بالهواء

معامل انتقال الحرارة الحراري ، أ إلى - الكمية المادية، تساوي عدديًا كمية الحرارة المنقولة من الهواء إلى سطح جسم صلب عن طريق نقل الحرارة بالحمل الحراري بفارق بين درجة حرارة الهواء ودرجة حرارة سطح الجسم يساوي 1 درجة مئوية.

مع هذا النهج ، يكمن التعقيد الكامل للعملية الفيزيائية لنقل الحرارة بالحمل الحراري في معامل نقل الحرارة ، أ إلى. بطبيعة الحال ، فإن قيمة هذا المعامل هي دالة للعديد من الحجج. للاستخدام العملي ، يتم قبول القيم التقريبية للغاية أ إلى.

يمكن إعادة كتابة المعادلة (2.5) بسهولة على النحو التالي:

أين آر إلى - مقاومة انتقال الحرارة بالحملعلى سطح الهيكل المحيط ، م 2. o C / W ، يساوي اختلاف درجة الحرارة على سطح السياج ودرجة حرارة الهواء أثناء مرور تدفق حراري بكثافة سطحية تبلغ 1 وات / م 2 من السطح إلى الهواء أو العكس. مقاومة آر إلىهو مقلوب معامل انتقال الحرارة الحراري أ إلى.

إذا قمت بمد يدك فوق موقد ساخن أو فوق مصباح كهربائي مشتعل ، يمكنك أن تشعر كيف ترتفع نفاثات الهواء الدافئ فوق هذه الأشياء. تبدأ ورقة معلقة فوق شمعة مشتعلة أو مصباح كهربائي بالدوران تحت تأثير ارتفاع الهواء الدافئ.

ويمكن تفسير هذه الظاهرة على النحو التالي. يتلامس الهواء مع المصباح الساخن ، ثم يسخن ويتمدد ويصبح أقل كثافة من الهواء البارد المحيط. قوة أرخميدس ، التي تعمل على الهواء الدافئ من جانب الهواء البارد من الأسفل إلى الأعلى ، تتجاوز قوة الجاذبية التي تعمل على الهواء الدافئ. وبالتالي ، يرتفع الهواء الدافئ ، وبالتالي يفسح المجال للهواء البارد.

يمكننا ملاحظة ظواهر مماثلة عند تسخين سائل من الأسفل. يتم إزاحة الطبقات الدافئة من السائل - الأقل كثافة ، وبالتالي الأفتح - لأعلى بواسطة الطبقات الباردة الأكثر كثافة والأثقل. الطبقات الباردة من السائل ، بعد أن سقطت ، يتم تسخينها بواسطة مصدر حرارة ويتم إزاحتها مرة أخرى بواسطة سائل أقل تسخينًا. وبالتالي ، فإن مثل هذه الحركة تقوم بتسخين كل الماء بالتساوي. يمكن ملاحظة ذلك بشكل أكثر وضوحًا إذا وضعت بضع بلورات من برمنجنات البوتاسيوم في قاع الإناء ، مما يؤدي إلى تلوين الماء فيه. ليلكي. في مثل هذه التجارب ، يمكننا أن نلاحظ نوعًا آخر من نقل الحرارة - الحمل(كلمة لاتينية "الحمل الحراري"- نقل).

تجدر الإشارة إلى أنه أثناء عملية الحمل الحراري ، يتم نقل الطاقة بواسطة نفاثات الغاز أو السائل نفسه. على سبيل المثال ، في غرفة بها تدفئة ، بسبب ظاهرة الحمل الحراري ، يرتفع تدفق الهواء الساخن إلى السقف ، ويسقط الهواء البارد على الأرض. وبالتالي ، يكون الهواء في الجزء العلوي أكثر دفئًا من الهواء القريب من الأرض.

هناك نوعان من الحمل الحراري: طبيعي(أو بعبارة أخرى مجاني) و قسري.تعتبر أمثلة سائل التسخين والهواء في الغرفة أمثلة على الحمل الحراري الطبيعي. يمكننا أن نلاحظ الحمل القسري عندما نقلب السائل بملعقة ، محرك ، مضخة.

يجب تسخين المواد مثل السوائل والغازات من الأسفل. إذا فعلت العكس - قم بتسخينهم من الأعلى ، فلن يكون هناك حمل حراري. لا يمكن للطبقات الدافئة أن تغوص جسديًا تحت البرودة والأكثر كثافة وأثقل. وبالتالي ، لكي تستمر عملية الحمل الحراري ، من الضروري تسخين الغازات والسوائل من الأسفل.

في المواد الصلبةلا يمكن أن يحدث الحمل. نحن نعلم بالفعل أنه في المواد الصلبة ، تتأرجح الجسيمات حول نقطة معينة ، لأن يتم تجميعهم معًا من خلال الجذب المتبادل. لذلك ، عندما يتم تسخين المواد الصلبة ، لا يمكن أن تتكون فيها أي مادة. في المواد الصلبة ، يمكن نقل الطاقة بالتوصيل.

ينتشر الحمل الحراري في الطبيعة: في الطبقات السفلية الغلاف الجوي للأرض، البحار ، المحيطات ، في أحشاء كوكبنا ، على الشمس (في طبقات يصل عمقها إلى حوالي 20-30٪ من نصف قطر الشمس من سطحها). بمساعدة ظاهرة الحمل الحراري ، يتم تسخين الغازات والسوائل في مختلف الأجهزة التقنية.

يمكن أيضًا أن يكون تبريد الطعام في الثلاجة أحد الأمثلة البسيطة على الحمل الحراري. يقوم غاز الفريون الذي يدور عبر أنابيب الثلاجة بتبريد طبقات الهواء في الجزء العلوي من الثلاجة. الهواء البارد ، بعد أن نزل ، يبرد جميع المنتجات ، ثم يرتفع مرة أخرى. عندما نضع الطعام في الثلاجة ، لا تعيق دوران الهواء فيها. تعمل الشبكة ، الموجودة خلف الثلاجة ، على إزالة الهواء الدافئ الذي يتكون في الضاغط أثناء ضغط الغاز. آلية التبريد للشبكة هي أيضًا الحمل الحراري ، لذلك يجب ترك مساحة خالية خلف الثلاجة حتى يمكن أن يحدث الحمل الحراري دون صعوبة.

هل لديك اسئلة؟ لا تعرف كيف تقوم بواجبك؟
للحصول على مساعدة من مدرس -.
الدرس الأول مجاني!

blog.site ، مع النسخ الكامل أو الجزئي للمادة ، مطلوب ارتباط بالمصدر.