الحمل الحراري: الخصائص والأمثلة والتطبيقات - جسدي - بدني - 2025

في الحمل هي واحدة من الآليات الثلاث التي يتم نقل الحرارة من منطقة واحدة لبرودة آخر أكثر دفئا. يحدث بسبب حركة كتلة السائل ، والتي يمكن أن تكون سائلة أو غازية. في أي حال ، هناك حاجة دائمًا إلى وسيط مادي حتى تحدث هذه الآلية.

كلما كانت حركة السائل المعني أسرع ، زادت سرعة نقل الطاقة الحرارية بين المناطق ذات درجات الحرارة المختلفة. يحدث هذا باستمرار مع الكتل الهوائية في الغلاف الجوي: يضمن الطفو ارتفاع الكتل الأكثر دفئًا والأقل كثافة بينما تنخفض الكتل الأكثر برودة والأكثر كثافة.

الشكل 1. يتم تبريد الغرفة بفتح الباب ، حيث يرتفع الهواء الساخن (السهم الأحمر) والأقل كثافة ويهرب منه. المصدر: ويكيميديا ​​كومنز. Genieclimatique / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)

مثال على ذلك هو الغرفة المغلقة في الصورة ، والتي يتم تبريدها فورًا بمجرد فتح الأبواب أو النوافذ ، حيث يتسرب الهواء الساخن من الداخل حتى من خلال الشقوق ، مما يفسح المجال للهواء النقي من الخارج الذي يبقى أكثر. أسفل.

أنواع الحمل

الحمل الحراري الطبيعي والقسري

الشكل 2. أمثلة على الحمل القسري والحمل الطبيعي. المصدر: Cengel، Y. Thermodynamics.

يمكن أن يكون الحمل الحراري طبيعيًا أو قسريًا. في الحالة الأولى ، يتحرك السائل من تلقاء نفسه ، كما هو الحال عند فتح باب الغرفة ، بينما في الحالة الثانية يتم دفعه بواسطة مروحة أو مضخة ، على سبيل المثال.

الانتشار والتأخير

يمكن أن يكون هناك أيضًا نوعان مختلفان: الانتشار والتألق. في الانتشار ، تتحرك جزيئات المائع بشكل عشوائي أو أقل ويكون انتقال الحرارة بطيئًا.

على النقيض من ذلك ، فإن الحركة الأفقية تحرك كمية جيدة من كتلة السوائل ، والتي يمكن تحقيقها عن طريق إجبار الحمل الحراري باستخدام مروحة ، على سبيل المثال. لكن ميزة التأفق هي أنه أسرع بكثير من الانتشار.

¿

النموذج الرياضي البسيط لنقل الحرارة بالحمل الحراري هو قانون نيوتن للتبريد. ضع في اعتبارك سطحًا ساخنًا للمنطقة أ ، محاطًا بهواء بارد ، بحيث يكون الاختلاف في درجة الحرارة صغيرًا.

دعونا نسمي الحرارة المنقولة Q والوقت t. معدل نقل الحرارة هو dQ / dt أو مشتق من الوظيفة Q (t) فيما يتعلق بالوقت.

نظرًا لأن الحرارة هي طاقة حرارية ، فإن وحداتها في النظام الدولي هي جول (J) ، وبالتالي فإن معدل النقل يأتي بالجول / ثانية ، وهي واط أو واط (W).

هذا المعدل يتناسب طرديًا مع الاختلاف في درجة الحرارة بين الجسم الساخن والوسط ، والمشار إليه بالرمز ΔT وأيضًا مع مساحة السطح A للكائن:

يسمى ثابت التناسب h ، وهو معامل انتقال الحرارة بالحمل الحراري ويتم تحديده تجريبياً. وحداتها في النظام الدولي (SI) هي W / م ². K ، لكن من الشائع العثور عليها بدرجات مئوية أو مئوية.

من المهم ملاحظة أن هذا المعامل ليس خاصية مائع ، لأنه يعتمد على عدة متغيرات ، مثل هندسة السطح ، وسرعة السائل وخصائص أخرى.

بدمج كل ما سبق ، يتخذ قانون نيوتن للتبريد هذا الشكل:

تطبيق قانون نيوتن للتبريد

شخص يقف في منتصف غرفة بدرجة حرارة 20 مئوية ، يهب خلالها نسيم خفيف. ما هو معدل الحرارة التي ينقلها الشخص إلى البيئة بالحمل الحراري؟ افترض أن مساحة السطح المكشوفة 1.6 م ² ودرجة حرارة سطح الجلد 29 درجة مئوية.

حقيقة: معامل انتقال الحرارة بالحمل في هذه الحالة هو 6 واط / م ². º ج

المحلول

يمكن للشخص أن ينقل الحرارة إلى الهواء من حوله ، لأنه يتحرك عندما يهب النسيم. للعثور على معدل النقل dQ / dt ، ما عليك سوى إدخال القيم في معادلة نيوتن للتبريد:

dQ / dt = 6 واط / م ². ºC × 1.6 م ² × (29 درجة مئوية - 20 درجة مئوية) = 86.4 غربًا.

أمثلة على الحمل الحراري

دفئ يديك على نار المخيم

من الشائع أن تقوم بتدفئة يديك عن طريق تقريبها من نار المخيم أو محمصة الخبز الساخنة ، حيث أن الهواء المحيط بمصدر الحرارة يسخن بدوره ويتمدد ، حيث يرتفع لأنه أقل كثافة. أثناء دورانه ، يغلف هذا الهواء الساخن يديك ويدفئهما.

الشكل 3. إحدى الطرق لتدفئة يديك هي من خلال تيار الحمل الناتج عن النار في الهواء. المصدر: Pxfuel.

تدفق الهواء على الساحل

على الساحل ، يكون البحر أكثر برودة من الأرض ، لذلك يسخن الهواء فوق الأرض ويرتفع ، بينما يصل الهواء البارد ويستقر في الفضاء الذي يتركه هذا الآخر عند الصعود.

وهذا ما يسمى خلية الحمل الحراري وهذا هو السبب في أنها تشعر بالبرودة عند النظر إلى البحر والنسيم يهب على وجهك في يوم حار. في الليل يحدث العكس ، النسيم البارد يأتي من الأرض

دورة المياه

يحدث الحمل الحراري الطبيعي في هواء سواحل المحيط ، من خلال الدورة الهيدرولوجية ، حيث يتم تسخين المياه وتبخرها بفضل الإشعاع الشمسي. وهكذا يتشكل بخار الماء ، ويبرد ويتكثف في شكل سحب ، تزداد كتلتها وترتفع بالحمل الحراري.

مع زيادة حجم قطرات الماء ، يأتي وقت يسقط فيه الماء على شكل مطر ، صلب أو سائل ، حسب درجة الحرارة.

قم بغلي الماء في وعاء

عندما يتم وضع الماء في الغلاية أو القدر ، يتم تسخين الطبقات الأقرب للقاع أولاً ، لأن اللهب أو الحرارة من الموقد هي الأقرب. ثم يتمدد الماء وتنخفض كثافته فيرتفع ويأخذ الماء البارد مكانه في قاع الإناء.

الشكل 4. تسخين المياه بالحمل الحراري. المصدر: ويكيميديا ​​كومنز. المستخدم: Oni Lukos / CC BY-SA (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/).

وبهذه الطريقة تدور جميع الطبقات بسرعة ويسخن جسم الماء بالكامل. هذا مثال جيد على التأخير.

توليد الرياح

ينتج الحمل الحراري في الكتل الهوائية ، جنبًا إلى جنب مع حركة دوران الأرض ، رياحًا ، حيث يتحرك الهواء البارد ويدور تحت الهواء الساخن ، مما يخلق تيارات مختلفة تسمى تيارات الحمل الحراري.

تيارات المحيط

يتصرف الماء بطريقة مشابهة لكيفية عمل الهواء في الغلاف الجوي. غالبًا ما تكون المياه الأكثر دفئًا بالقرب من السطح ، بينما تكون المياه الأكثر برودة أعمق.

تأثير دينامو

يحدث في اللب المنصهر داخل الكوكب ، حيث يتحد مع حركة دوران الأرض ، ويولد تيارات كهربائية تؤدي إلى المجال المغناطيسي للأرض.

انتقال الطاقة داخل النجوم

النجوم مثل الشمس عبارة عن كرات ضخمة من الغاز. يعتبر الحمل الحراري آلية فعالة لنقل الطاقة هناك ، حيث تتمتع الجزيئات الغازية بحرية كافية للتنقل بين مناطق باطن النجوم.

تطبيقات الحمل الحراري

مكيفات الهواء

يتم وضع المكيف بالقرب من سقف الغرف ، بحيث ينزل الهواء البارد وهو أكثر كثافة ويبرد بالقرب من الأرض بسرعة.

المبادلات الحرارية

إنه جهاز يسمح بنقل الحرارة من سائل إلى آخر وهو مبدأ تشغيل مكيفات الهواء وآليات تبريد محرك السيارة على سبيل المثال.

عوازل حرارية في المباني

وهي مصنوعة من خلال الجمع بين صفائح من المواد العازلة وإضافة فقاعات الهواء في الداخل.

أبراج التبريد

تسمى أيضًا أبراج التبريد ، وهي تعمل على التخلص من الحرارة الناتجة عن محطات الطاقة النووية ومصافي النفط وغيرها من المنشآت الصناعية المختلفة في الهواء ، بدلاً من الأرض أو المياه.

المراجع

1. جيامباتيستا ، أ. 2010. الفيزياء. الثاني. إد ماكجرو هيل.
2. غوميز ، إي التوصيل والحمل الحراري والإشعاع. تم الاسترجاع من: eltamiz.com.
3. ناتاهيناو. تطبيقات الحرارة. تم الاسترجاع من: natahenao.wordpress.com.
4. سيرواي ، ر. الفيزياء للعلوم والهندسة. المجلد 1. السابع. Ed. Cengage Learning.
5. ويكيبيديا. الحمل. تم الاسترجاع من: en.wikipedia.org.
6. ويكيبيديا. الحرارة الحرارية. تم الاسترجاع من: fr.wikipedia.org.