Language
Country/Area
No result found
سحر تدفق الحرارة: كيف يتم نقلها بهدوء بين الهواء والأشياء؟
يوجد تدفق الحرارة في كل مكان، سواء في حياتنا اليومية أو في تطبيقات الهندسة عالية التقنية.
تعريف وتطبيق تدفق الحرارة
لتحديد تدفق الحرارة عند نقطة في الفضاء، فإننا عادة ما نأخذ في الاعتبار الحالات السطحية اللانهائية في الصغر. غالبًا ما يتم تمثيل تدفق الحرارة بواسطة
�
، مع العلامة الفرعيةq التي تشير إلى أن هذا هو تدفق الحرارة، وليس تدفق الكتلة أو الزخم. يعد قانون فورييه أحد القوانين المهمة التي تصف تدفق الحرارة، وخاصة في المواد الصلبة، حيث تنتقل الحرارة بشكل رئيسي بالتوصيل.
يخبرنا قانون فورييه أن تدفق الحرارة يتدفق دائمًا من المناطق ذات درجات الحرارة المرتفعة إلى المناطق ذات درجات الحرارة المنخفضة.
قانون فورييه وامتداداته
إن تعبير قانون فورييه في بعد واحد هو:
φq = -k * dT(x)/dx
حيث k هي الموصلية الحرارية. تشير العلامة السلبية إلى أن تدفق الحرارة يتجه نحو منطقة ذات درجة حرارة أقل. عندما نستكشف المواقف متعددة الأبعاد، فإن تدفق الحرارة لا يزال يتبع مبادئ مماثلة:
φq = -k ∇T
هنا، ∇ هو عامل التدرج، الذي يوضح العلاقة بين تدفق الحرارة وتدرج درجة الحرارة.
طرق قياس تدفق الحرارة
توجد طرق عديدة لقياس تدفق الحرارة. أولاً، يمكننا قياس تدفق الحرارة عبر مادة ذات موصلية حرارية معروفة، على غرار قياس انخفاض الجهد عبر مقاومة معروفة عند قياس التيار الكهربائي. ومع ذلك، من الصعب نسبيا تنفيذ هذا النهج في المواقف العملية لأن المقاومة الحرارية للمادة عادة ما تكون غير واضحة، لذا فإن دقة سمك المادة والتوصيل الحراري أمر بالغ الأهمية.
عندما تكون الموصلية الحرارية غير معروفة، فإن مستشعر تدفق الحرارة يعد أداة قياس فعالة.
توجد طريقة أخرى لقياس تدفق الحرارة وهي استخدام مستشعر تدفق الحرارة أو محول تدفق الحرارة، والذي يقيس بشكل مباشر كمية الحرارة المنقولة بواسطة السطح الذي تم تركيبه عليه. لذلك، على الرغم من أنه ليس من الضروري معرفة قيم المقاومة الحرارية أو التوصيل الحراري، إلا أنه يمكننا إجراء قياسات في الموقع.
تطبيقات أجهزة استشعار التدفق الحراري
تتمتع أجهزة استشعار تدفق الحرارة الشائعة مثل الثيرموبيلات ذات درجة الحرارة التفاضلية بمبدأ أساسي مماثل لطريقة القياس الأولى المذكورة أعلاه، ولكنها لا تتطلب معرفة المقاومة الحرارية أو التوصيل الحراري للمنتج. وهذا يجعل أجهزة استشعار التدفق الحراري أكثر مرونة في العديد من التطبيقات العملية. ومع ذلك، يجب معايرة هذه الأعمدة الحرارية لتحويل إشارة خرجها (والتي عادة ما يتم قياسها بالميكروفولت) إلى قيمة تدفق حراري (والتي يتم قياسها بالواط لكل متر مربع لكل كيلفن). بمجرد المعايرة، يمكن استخدام مستشعر تدفق الحرارة لقياس تدفق الحرارة مباشرة دون الحاجة إلى مقاومة حرارية معروفة أو توصيل حراري.
في العلوم والهندسة، يعد توازن الطاقة أداة مهمة لتحليل تدفق الحرارة وأنظمة الإدارة الحرارية.
تحليل التدفق الحراري في العلوم والهندسة
غالبًا ما يعتمد العلماء والمهندسون على أداة توازن الطاقة، والتي يمكن تطبيقها على أي نظام فيزيائي، من المفاعلات الكيميائية إلى الكائنات البيولوجية. صيغة توازن الطاقة هي كما يلي:
∂Ein/∂t - ∂Eout/∂t - ∂Eaccumulated/∂t = 0تمثل العناصر الثلاثة هنا إجمالي تغير الطاقة الداخلة إلى النظام، وإجمالي تغير الطاقة الخارجة من النظام، والتغير التراكمي في الطاقة داخل النظام. إذا كانت الطريقة الوحيدة لنقل الطاقة هي تدفق الحرارة، فيمكن استخدام معدل تدفق الحرارة لحساب توازن الطاقة. حتى في التطبيقات العملية، حيث ليس من الممكن معرفة تدفق الحرارة الدقيق في كل نقطة على السطح، يمكننا استخدام مخططات تقريبية لإجراء الحسابات، مثل طريقة تكامل مونت كارلو.
مع تقدم التكنولوجيا، أصبحت أهمية قياس تدفق الحرارة والتحكم فيه بارزة بشكل متزايد. فهو يلعب دورًا مهمًا في تطبيقات مختلفة مثل الإدارة الحرارية للمباني وتصميم تبديد الحرارة للمعدات الإلكترونية والعديد من العمليات الصناعية. في هذا العالم سريع التغير، هل يمكننا أن نفهم بشكل أكبر أسرار تدفق الحرارة لتطوير العلم والتكنولوجيا؟
