نواندیشان | بهترین سایت علمی آموزشی کشور
درس انتقال حرارت 2 را می‌توان از دروس پایه مهندسی مکانیک دانست. این درس کاربردهای فراوانی در انواع زمینه‌های مختلف دارد و یکی از مهمترین موضوعات روز جهان به شمار می‌رود. برای استفاده هرچه بیشتر از این مباحث مهم لازم است که به آموزش دروس مهندسی مکانیک فرادرس مراجعه کنید و دانسته‌های خود را افزایش دهید. دروس آموزش انتقال حرارت در صنایع مختلفی مانند: نیروگاه‌ها، صنایع نفتی، و دیگر صنایع وابسته نقش مهمی را ایفا می‌کنند. از دیگر کاربردهای این دروس می‌توان به کاربرد در مواد، هسته، انرژی، شیمی و پلیمر نیز اشاره کرد. همچنین انتقال حرارت ۲ را می‌توان در دروس مهندسی شیمی نیز یافت.
در اینجا تنها اشاره‌ای به درس انتقال حرارت 2 و همچنین روش‌های انتقال حرارت می‌شود زیرا مباحث انتقال حرارت بسیار گسترده بوده که با استفاده از مسائل ریاضی انجام می‌شوند.
انتقال حرارت و روش های انتقال حرارت چیست؟
انتقال حرارت و گرما از طریق مواد جامد (رسانایی) ، مایعات و گازها (همرفت) و امواج الکترومغناطیسی (تابش) انجام می‌گیرد. گرما معمولاً در ترکیبی از این سه نوع منتقل می‌شود و به‌ندرت خودبه‌خود ایجاد می‌شود. به‌عنوان‌مثال، محیط حرارتی یک ساختمان تحت تأثیر شار حرارتی از طریق زمین (رسانایی) و پوشش ساختمان (بیشتر همرفت و تابش) قرار می‌گیرد.
در واقع می‌توان گفت انتقال حرارت ، جریان گرما را به دلیل تفاوت دما و توزیع و تغییرات دمایی متعاقب آن توصیف می‌کند. دروس انتقال حرارت 1 و 2 درباره، مطالعه پدیده‌های حمل‌ونقل مربوط به تبادل حرکت، انرژی و جرم به شکل رسانایی، همرفت و تابش است. این فرایندها را می‌توان از طریق فرمول‌های ریاضی توصیف کرد.
اصول اولیه انتقال حرارت
اصول اولیه این فرمول‌ها در قوانین مربوط به حفظ حرکت، انرژی و جرم در ترکیب با قوانین بنیادی یافت می‌شود، روابطی که نه‌تنها حفاظت، بلکه میزان کمیت‌های دخیل در این پدیده‌ها را نیز توصیف می‌کند. برای این منظور، از معادلات دیفرانسیل برای توصیف قوانین و روابط تشکیلاتی ذکر شده به بهترین شکل ممکن استفاده می‌شود. حل این معادلات یک روش مؤثر برای بررسی سیستم‌ها و پیش‌بینی رفتار آنها است.
قانون دوم ترمودینامیک
بدون کمک خارجی، گرما همیشه از اجسام داغ به اجسام سرد منتقل می‌شود که نتیجه مستقیم قانون دوم ترمودینامیک است که ما آن را جریان گرما می‌نامیم.
در اوایل قرن نوزدهم، دانشمندان معتقد بودند که همه بدن حاوی یک مایع نامرئی به نام کالری (مایعی بدون جرم که تصور می‌شود از اجسام گرم به سرد جریان دارد) است. به کالری ویژگی‌هایی داده شد که برخی از آنها با طبیعت ناسازگار بود (به‌عنوان‌مثال وزن داشت و نمی‌توان آن را ایجاد کرد و یا از بین برد). اما مهمترین ویژگی آن این بود که قادر بود از اجسام گرم به بدن‌های سرد سرازیر شود. این یک روش بسیار مفید برای فکرکردن در مورد گرما بود.
گرما چگونه ماده‌ای است
تامپسون و ژول نشان دادند که این نظریه کالری اشتباه است. گرما ماده‌ای نیست که تصور می‌شود، بلکه حرکتی در سطح مولکولی است (اصطلاحاً نظریه جنبشی). یک مثال خوب این است که دست‌هایمان را به یکدیگر بمالیم. هر دودست گرم‌تر می‌شوند، اگرچه در ابتدا در دمای خنک‌تری قرار داشتند. حال اگر علت گرما سیال بود، آنگاه از جسمی (گرم‌تر) باانرژی بیشتر به بدن دیگر باانرژی کمتر (سردتر) سرازیر می‌شد. در عوض، دست‌ها گرم می‌شوند زیرا انرژی جنبشی حرکت (مالش) در فرایندی به نام اصطکاک به گرما تبدیل شده است.
جریان گرما در تمام مدت از هر موجود فیزیکی به اجسام اطراف آن اتفاق می‌افتد. گرما به طور مداوم از بدن شما به هوای اطراف شما جریان می‌یابد. حرکت کوچک شناور (یا جابه‌جایی) هوا در یک اتاق ادامه می‌یابد زیرا دیوارها هرگز نمی‌توانند مطابق نظریه، هم دما باشند. تنها دامنه عاری از جریان گرما باید ایزوترمان و کاملاً جدا از هر سیستم دیگری باشد که انتقال حرارت را امکان‌پذیر می‌کند. ایجاد چنین سیستمی عملاً غیرممکن است. خنک شدن خورشید یک فرایند اولیه است که ما به طور طبیعی آن را تجربه می‌کنیم. فرایندهای دیگر خنک‌کننده رسانای مرکز زمین و خنک‌کننده تابشی ستارگان دیگر است.
روش‌های انتقال حرارت
روش های انتقال گرما و حرارت مختلفی وجود دارد. انتقال حرارت رسانا، انتقال حرارت از طریق ماده (یعنی جامدات، مایعات یا گازها) بدون حرکت توده‌ای ماده است. در بخش دیگری، هدایت انتقال انرژی از ذرات پرانرژی‌تر به انرژی کمتری از یک ماده به دلیل برهم‌کنش بین ذرات است. انتقال حرارت رسانایی در گازها و مایعات به دلیل برخورد و انتشار مولکول‌ها در حین حرکت تصادفی آنها است. از سوی دیگر، انتقال حرارت در جامدات به دلیل ترکیب ارتعاشات شبکه‌ای مولکول‌ها و انتقال انرژی توسط الکترون‌های آزاد است. به‌عنوان‌مثال، انتقال حرارت می‌تواند از طریق دیواره رگ در بدن انسان رخ دهد. سطح داخلی که در معرض خون است، دمای بالاتری نسبت به سطح خارجی دارد.
1- خواص مکانیکی و هندسی
برای بررسی انتقال حرارت رسانایی، لازم است که انتقال حرارت را به خواص مکانیکی، حرارتی یا هندسی مربوط کنیم. انتقال حرارت حالت پایدار را از طریق دیواره یک آئورت با ضخامت Δx در نظر بگیرید که در آن دیوار داخل آئورت در مقایسه با دیواره خارجی Tc در دمای بالاتر Th قرار دارد. در این حالت انتقال حرارت، در جهت x و عمود بر صفحه اختلاف دما است. انتقال حرارت تابعی از دمای بالاتر و پایین‌تر دیواره آئورت، هندسه و خواص آئورت است.
2- انتقال حرارت 2 فاز
انتقال حرارت 2 فاز که شامل تبدیل مایع به بخار، جوشاندن یا تبدیل بخار به مایع است که به آن چگالش گفته می‌شود، در تجهیزاتی مانند دیگ‌های بخار و کندانسور در نیروگاه‌های حرارتی، اواپراتورها و کندانسورها در تبرید انجام می‌شود. سیستم‌ها، رآکتورهای هسته‌ای آب خنک، تجهیزات اصلی در صنعت فرایند و سینک‌های مدرن برای مدیریت حرارتی قطعات الکترونیکی از دیگر جاهایی است که از این عملکرد استفاده می‌شود.
اهمیت ویژه‌ای در طراحی تجهیزات، ضرایب انتقال حرارت و تلفات ناشی از فشار است. در جوشش و چگالش، اتصال بین فرایند دینامیک سیال و فرایند انتقال حرارت قوی‌تر از آن چیزی است که در جریان‌های تک‌فاز وجود دارد. در یک جریان دوفازی با تغییر فاز، یک تغییر مداوم در کسر و توزیع هر فاز و در نتیجه الگوی جریان وجود دارد که بر فرایندهای انتقال حرارت محلی تأثیر می‌گذارد.
3- انتقال گرما در شیمی
انتقال حرارت ، انرژی حرارتی در حال انتقال به دلیل اختلاف دما است. موضوعی که شاید در شیمی به آن پرداخته‌اید ترمودینامیک است. ترمودینامیک با فرایندهای تعادل و نقاط پایانی سروکار دارد. به ما نرخ نمی‌دهد انتقال حرارت با گرادیان‌های دما و پدیده‌های غیر تعادلی سروکار دارد. به یاد داشته باشید که از Kelvins یا Rankine برای محاسبات انتقال حرارت استفاده کنید. این امر به‌ویژه در بررسی انتقال حرارت تابشی بسیار مهم است. با مشاهده و گذراندن آموزش دروس مهندسی شیمی که در سایت فرادرس عرضه شده است، بیش از پیش می‌توانید با کاربرد انتقال حرارت و جایگاه درس انتقال حرارت 2 در این رشته آگاه شوید.
رشته‌های مکانیک که لازم است درس انتقال حرارت ۲ را بگذرانند و کاربردهای آن
1- مکانیک سیالات زیست‌پزشکی و مهندسی
این رشته تحصیلی بر مبانی مکانیک سیالات و طیف گسترده‌ای از کاربردهای آنها در زمینه‌های پزشکی و مهندسی استوار است. زمینه‌های تحقیق حاضر شامل گردش خون در بدن و نقش بالقوه آن در تنظیم عملکرد طبیعی فیزیولوژیکی و در ایجاد بیماری است. آب‌های زیرزمینی و جوی و پیامدهای آنها برای حمل‌ونقل آلاینده‌ها و نگرانی‌های زیست‌محیطی؛ جریان آیرودینامیکی در اطراف وسایل نقلیه حمل‌ونقل و تأثیر آن بر عملکرد خودرو؛ و جریان در موتورهای احتراق و سایر سیستم‌های انرژی با ملاحظات کارایی و تأثیرات زیست‌محیطی.
2- احتراق و محیط‌زیست
احتراق به طور گسترده‌ای برای تولید انرژی، پیشران، گرمایش و دفع زباله و همچنین برای بسیاری از کاربردهای دیگر استفاده می‌شود. مهندسان مکانیک اغلب در طراحی سیستم‌های احتراق (موتورهای احتراق داخلی، توربین‌های گازی، کوره‌ها و غیره) مشارکت زیادی دارند و با جنبه‌های احتراق از افزایش راندمان تا کاهش انتشار آلاینده‌ها سروکار دارند. این حوزه موردعلاقه برای کسانی طراحی شده است که مایل به کار در زمینه‌هایی هستند که از احتراق استفاده می‌کنند یا با آلودگی ناشی از احتراق سروکار دارند.
با افزایش تأکید کنونی بر کاهش آلاینده‌ها درحالی‌که کارایی حفظ یا افزایش می‌یابد، مهندسان مکانیک در طراحی و بهبود سیستم‌های احتراق اهمیت فزاینده‌ای پیدا می‌کنند. برنامه مطالعه بر جنبه‌های اساسی احتراق، مانند خواص شعله و سوخت و آلودگی تمرکز می‌کند. کاربردهای احتراق در سیستم‌های عملی مانند موتورها و مشعل هدف طراحی و بهینه‌سازی سیستم‌هایی که از احتراق استفاده می‌کنند و ملاحظات زیست‌محیطی مانند ایجاد آلودگی، کنترل، حمل‌ونقل و اثر می‌باشد.
3- سیستم‌های وسایل نقلیه زمینی
طراحی وسایل نقلیه سطحی جنبه‌ای از مهندسی مکانیک است که بر توسعه وسایل نقلیه سازگار با محیط‌زیست تأکید می‌کند که می‌توانند حمل‌ونقل را با استفاده از منابع کمتر فراهم کنند. نوآوری در این زمینه مستلزم داشتن مهارت در دینامیک خودرو، پیشرانه و مفاهیم موتور، کنترل انتقال نیرو و ساخت سازه‌ها و سیستم‌های سبک‌وزن است. محققان در این زمینه همچنین سیستم‌های قدرت جایگزین سوخت، از جمله درایوهای برقی را مطالعه می‌کنند.
4- انتقال حرارت، ترمودینامیک و سیستم‌های انرژی
این حوزه موردعلاقه بر مبانی انتقال حرارت و ترمودینامیک و کاربرد آنها در طراحی سیستم‌های مهندسی پیشرفته تأکید می‌کند. هدف از این برنامه مطالعه معرفی فرایندهای اساسی انتقال حرارت و ترمودینامیک در سیستم‌های مهندسی پیچیده است تا طراحی‌های کارآمدتر، مقرون‌به‌صرفه‌تر و قابل‌اطمینان‌تر با آلودگی و تأثیر محیط کمتر را ایجاد کند.
درک نحوه انتقال حرارت و ترمودینامیک برای طراحی سیستم‌های کارآمد و مقرون‌به‌صرفه برای تولید برق (از جمله سیستم‌های تبدیل انرژی پیشرفته) ، پیشرانه (شامل موتورهای احتراق و توربین‌های گازی) ، مبدل‌های حرارتی، فرایندهای صنعتی، پالایش و پردازش شیمیایی ضروری است. این حوزه موردعلاقه بسیاری از صنایع هوافضا، دفاع، خودرو، فلزات، شیشه، کاغذ و پلاستیک و همچنین طراحی حرارتی بسته‌های الکترونیکی و کامپیوتری است.
5- ساخت
تولید فرایند تبدیل مواد اولیه به محصولات است. فعالیت اصلی مهندسان مکانیک مطالعه و کار با روش‌ها و تکنیک‌های مختلف تولید و ادغام فعالیت‌های طراحی خلاقانه در محصولات ساخته شده واقعی است. برنامه تولید، تجربیات عملی با آخرین فرایندها و روش‌های تولیدی یکپارچه با کامپیوتر را ارائه می‌دهد. آزمایشگاه‌ها دارای تجهیزات پیشرفته برای ماشین‌کاری معمولی و غیرسنتی، اندازه‌گیری سه‌بعدی و قالب‌گیری تزریق پلاستیک هستند. این برنامه همچنین بر تولید رایانه محور تأکید می‌کند. یک مهندس تولید دارای پیشینه محکمی در فرایندها و سیستم‌های تولیدی و همچنین در خیابان خواهد بود.
6- طراحی مکانیکی
ایجاد و بهبود محصولات، فرایندها یا سیستم‌هایی که ماهیت مکانیکی دارند، فعالیت‌های اولیه یک مهندس مکانیک حرفه‌ای است. طراحی مکانیکی شامل توسعه محصول از تولید مفهوم تا طراحی دقیق، انتخاب و برنامه‌ریزی فرایند تولید، کنترل و تضمین کیفیت و ملاحظات چرخه عمر است. راه‌حل مشکلات عمده اجتماعی مانند آلودگی محیط‌زیست، کمبود انرژی و کمبود حمل‌ونقل عمومی و مواد اولیه بستگی زیادی به توانایی مهندس در ایجاد انواع ماشین‌آلات و سیستم‌های مکانیکی دارد.
یک مهندس طراح باید دارای پیشینه محکم و نسبتاً گسترده‌ای در علوم پایه فیزیکی و مهندسی باشد و توانایی حل مشکلات مختلف را داشته باشد. طراحان مکانیک علاوه بر داشتن صلاحیت فنی، باید بتوانند پیامدهای اجتماعی و اقتصادی یک طرح و تأثیر احتمالی آن بر محیط‌زیست، همچنین ایمنی، قابلیت اطمینان و صرفه اقتصادی آن را در نظر بگیرند.
7- پویایی و کنترل سیستم
مهندسان به طور فزاینده‌ای نگران عملکرد سیستم‌های دینامیکی یکپارچه هستند که در آنها بهینه‌سازی قطعات بدون درنظرگرفتن سیستم کلی امکان‌پذیر نیست. متخصصان پویایی و کنترل سیستم، مدل‌سازی، تجزیه‌وتحلیل و شبیه‌سازی انواع سیستم‌های پویا و استفاده از تکنیک‌های کنترل خودکار برای تغییر ویژگی‌های پویایی سیستم‌ها به روش‌های مفید را مطالعه می‌کنند. این برنامه بر سیستم‌های فیزیکی تأکید دارد که ارتباط نزدیکی با مهندسی مکانیک دارند، اما تکنیک‌های مطالعه این سیستم‌ها در مورد سیستم‌های اجتماعی، اقتصادی و دیگر سیستم‌های پویا کاربرد دارد.
8- سیستم‌های حمل‌ونقل
یکی از جنبه‌های مهم مهندسی مکانیک، برنامه‌ریزی، طراحی و عملکرد سیستم‌های حمل‌ونقل است. باتوجه‌به اهمیت روزافزون بهینه‌سازی سیستم‌های حمل‌ونقل برای به‌حداقل‌رساندن تخریب محیط‌زیست و مصرف انرژی، مهندسان باید نوآوری‌های عمده‌ای را در نحوه جابه‌جایی مردم و کالاها در نظر بگیرند. این نوآوری‌ها نیاز به مهارت در دینامیک خودرو، پیشرانه و کنترل و درک مشکلات ناشی از شیوه‌های حمل‌ونقل امروزی دارد.
منابع انتقال حرارت 2 :
باتوجه به اینکه انتقال حرارت از دروس اصلی و مهم به خصوص در رشته مهندسی مکانیک سیالات و مهندسی شیمی است، منابع و مراجع زیادی برای آن وجود دارد که از مهمترین آنها می‌توان به کتاب انتقال حرارت هولمن و کتاب انتقال حرارت اینکروپرا اشاره کرد. اما از بین منابع فارسی نیز می‌توان از کتاب‌های دکتر بهزاد خداکرمی و دکتر محمد سیمع‌پور در این زمینه نام برد. همچنین می‌توانید از آموزش‌هایی که در فرادرس ارائه شده است برای یادگیری مبحث انتقال حرارت 2 استفاده کنید.
نتیجه‌گیری
در درس انتقال حرارت 2 آموزش‌هایی مبنی بر فرایند حرکت انرژی در اثر اختلاف دما داده می‌شود. محاسبات شامل تعیین دمای نهایی مواد و مدت‌زمان لازم برای رسیدن این مواد به این درجه حرارت است. این می‌تواند به اطلاع سطح عایق موردنیاز برای اطمینان ازدست‌دادن گرما از سیستم کمک کند. به طور معمول، ازدست‌دادن گرما متناسب با گرادیان دما (نیروی محرک یا پتانسیل) است. انتقال حرارت را می‌توان با هدایت، همرفت یا تابش به دست آورد. انتقال حرارت فرایند حرکت انرژی به دلیل اختلاف دما است.
محاسبات موردعلاقه ما شامل تعیین دمای نهایی مواد و مدت‌زمان لازم برای رسیدن این مواد به این درجه حرارت است. این می‌تواند به اطلاع سطح عایق موردنیاز برای اطمینان ازدست‌دادن گرما از سیستم کمک کند. به طور معمول، ازدست‌دادن گرما متناسب با گرادیان درجه حرارت (نیروی محرکه یا پتانسیوم) است.
رسانایی شکلی از گرما است که در اثر تماس مستقیم بدون حرکت ایجاد می‌شود. گرادیان درجه حرارت درون یک ماده باعث جریان انرژی از ناحیه گرم‌تر به سردتر می‌شود. این شیب‌ها می‌توانند در جامدات، مایعات و گازها وجود داشته باشند. به شرطی که هیچ حرکتی در فازهای سیال وجود نداشته باشد، یعنی مایعاتی که به‌خوبی مخلوط نشده‌اند. باگذشت زمان اختلاف دما کاهش می‌یابد و به تعادل حرارتی (همان دما) نزدیک می‌شود. هدایت در یک جامد، مایع یا گاز اتفاق می‌افتد. به شرطی که هیچ حرکت فله‌ای وجود نداشته باشد.
معمولاً آموزش دروس انتقال حرارت در مقاطع کارشناسی ارائه می‌شوند و این دروس یکی از پیش‌نیازهای دروس تخصصی به‌ویژه انتقال حرارت ۲ است. در آموزش‌های دروس انتقال حرارت2 سرفصل‌های مهمی همچون: تشعشع حرارتی ، جابه‌جایی آزاد و جوشش و چگالش ارائه می‌شوند. برای آشنایی بیشتر با این درس می‌توانید در دوره آموزش انتقال حرارت که در سایت فرادرس ارائه شده است ثبت نام کرده و ویدئوهای آموزشی آن را مشاهده کنید.
