غالبًا ما يشار إلى انتقال الحرارة بالحمل الحراري ببساطة باسم الحمل الحراري ، وهو نقل الحرارة من مكان إلى آخر عن طريق حركة السوائل. عادة ما يكون الحمل الحراري هو الشكل السائد لانتقال الحرارة في السوائل والغازات.
يحدث الحمل الحراري عندما ترتفع المناطق الأكثر دفئًا من سائل أو غاز إلى مناطق أكثر برودة في السائل أو الغاز. يحل السائل أو الغاز المبرد محل المناطق الأكثر دفئًا التي ارتفعت أعلى. ينتج عن هذا نمط دوران مستمر.
الحمل الحراري هو عملية نقل حرارة. عندما يتم إنتاج التيارات ، يتم نقل المادة من مكان إلى آخر. لذلك ، فهذه أيضًا عملية نقل جماعي.
الحمل الحراري هو تدفق الحرارة من خلال حركة كبيرة الحجم للمادة من منطقة ساخنة إلى منطقة باردة ، على عكس النقل المجهري للحرارة بين الذرات المشاركة في التوصيل.
لنفترض أننا نفكر في تسخين منطقة محلية من الهواء. عندما يسخن هذا الهواء ، تنتشر الجزيئات ، مما يجعل هذه المنطقة أقل كثافة من الهواء المحيط غير الساخن. نظرًا لكونه أقل كثافة من الهواء البارد المحيط ، فإن الهواء الساخن سيرتفع لاحقًا بسبب قوى الطفو - يُقال بعد ذلك أن حركة الهواء الساخن هذه إلى منطقة أكثر برودة تنقل الحرارة بالحمل الحراري.
يعتبر غليان الماء في المقلاة مثالاً جيدًا على انتقال الحرارة بالحمل الحراري. عند تشغيل الموقد لأول مرة ، يتم نقل الحرارة أولاً عن طريق التوصيل بين العناصر عبر قاع الإناء إلى الماء. ومع ذلك ، في النهاية ، يبدأ الماء في الغليان ، وهذه الفقاعات هي في الواقع مناطق محلية من الماء الساخن ترتفع إلى السطح ، وبالتالي تنقل الحرارة من الماء الساخن في القاع إلى الماء البارد في الأعلى عن طريق الحمل الحراري. في الوقت نفسه ، سيغرق الماء الأكثر برودة والأكثر كثافة في الجزء السفلي ، حيث يتم تسخينه لاحقًا.
مثال جيد آخر على الحمل الحراري هو الغلاف الجوي. تقوم الشمس بتدفئة سطح الأرض ، ويرتفع الهواء الدافئ ويتحرك الهواء البارد.
الحمل الحراري الذي يحدث بشكل طبيعي يسمى الحمل الحراري الطبيعي أو الحمل الحراري الحر. إذا تم تدوير سائل باستخدام مروحة أو مضخة ، فإنه يسمى الحمل القسري. تسمى الخلية المكونة من التيارات الحرارية خلية الحمل أو خلية Benard .
مثال آخر مهم لتيارات الحمل الحراري هو تكوين النسائم فوق الكتل الأرضية بجوار المسطحات المائية الكبيرة. يتمتع الماء بسعة حرارية أكبر من الأرض وبالتالي يحتفظ بالحرارة بشكل أفضل. لذلك ، يستغرق تغيير درجة حرارته وقتًا أطول ، إما لأعلى أو لأسفل. وهكذا ، خلال النهار ، سيكون الهواء فوق الماء أبرد من الهواء فوق الأرض. هذا يخلق منطقة ضغط منخفض فوق الأرض ، نسبة إلى منطقة الضغط العالي فوق الماء ، وبعد ذلك يجد المرء نسائم تهب من الماء إلى الأرض. من ناحية أخرى ، يبرد الماء أثناء الليل بشكل أبطأ من الأرض ، ويكون الهواء فوق الماء أكثر دفئًا من سطح الأرض. هذا يخلق منطقة ضغط منخفض فوق الماء نسبة إلى منطقة الضغط العالي فوق الأرض ، وسوف تهب النسائم من الأرض إلى الماء.
أنواع الحمل الحراري
الحمل الحراري من ثلاثة أنواع - طبيعي ، قسري ، ومختلط.
- الحمل القسري - في حالة واحدة ، يمكن نقل الحرارة بشكل سلبي بواسطة حركة السوائل ، والتي قد تحدث حتى بدون عملية التسخين ، وتسمى عملية نقل الحرارة بشكل فضفاض بالحمل القسري.
- الحمل الحراري الطبيعي - في الحالة الأخرى ، قد يؤدي التسخين نفسه إلى تحرك المائع عبر قوى التمدد والطفو ، بينما يتسبب في نفس الوقت في نقل الحرارة بواسطة هذه الحركة - وهي عملية تُعرف بشكل فضفاض باسم الحمل الحراري الطبيعي أو الحمل الحراري الحر.
- الحمل الحراري المختلط (المركب) هو مزيج من الحمل الحراري القسري والحر وهو الحالة العامة للحمل الحراري عندما يتم تحديد التدفق في وقت واحد بواسطة كل من نظام التأثير الخارجي (على سبيل المثال ، مصدر الطاقة الخارجي لنظام الجسم المبسط بالسوائل) والحجم الداخلي ( الكتلة) ، أي من خلال التوزيع غير المنتظم للكثافة لوسط سائل في مجال الجاذبية.
بعض الأمثلة اليومية للحمل الطبيعي
- الماء المغلي - الماء المغلي في وعاء يعمل أيضًا على مبدأ الحمل الحراري. عندما يبدأ الماء في التسخين ، تتوسع جزيئات الماء وتتحرك في الإناء. وهكذا ، تنتقل الحرارة إلى أجزاء أخرى من الإناء ويبدأ الماء البارد في الغرق بينما يرتفع الماء الدافئ.
- مثال بسيط على تيارات الحمل الحراري هو الهواء الدافئ الذي يرتفع باتجاه السقف أو العلية في المنزل. الهواء الدافئ أقل كثافة من الهواء البارد فيرتفع.
- الرياح هي مثال على تيار الحمل الحراري. يشع ضوء الشمس أو الضوء المنعكس الحرارة ، مما يؤدي إلى اختلاف في درجة الحرارة يتسبب في تحرك الهواء. المناطق المظللة أو الرطبة أكثر برودة ، أو قادرة على امتصاص الحرارة ، مما يزيد من التأثير. تيارات الحمل الحراري هي جزء مما يدفع الدوران العالمي للغلاف الجوي للأرض.
- كوب تبخير من المشروبات الساخنة - ربما لاحظت خروج البخار من فنجان من الشاي أو القهوة الساخنة. بسبب حرارة السائل ، يرتفع الهواء الدافئ. هذا الهواء الدافئ بخار.
- ذوبان الجليد - تنتقل الحرارة من الهواء إلى الجليد. يؤدي هذا إلى الانصهار من مادة صلبة إلى سائلة.
- منطاد الهواء الساخن - يقوم سخان داخل البالون بتسخين الهواء وبالتالي يتحرك الهواء لأعلى. يؤدي هذا إلى ارتفاع البالون لأن الهواء الساخن محاصر بالداخل. عندما يريد الطيار النزول ، يطلق بعض الهواء الساخن ويحل محله الهواء البارد ، مما يؤدي إلى انخفاض البالون.
- إذابة المواد المجمدة - تذوب الأطعمة المجمدة بسرعة أكبر تحت الماء الجاري البارد مما لو تم وضعها في الماء. يعمل عمل الماء الجاري على نقل الحرارة إلى الطعام بشكل أسرع.
- عاصفة رعدية - ترتفع المياه الدافئة من المحيطات في الهواء وتتحول إلى قطرات مياه مشبعة تشكل السحب. عندما تستمر هذه العملية ، تتصادم الغيوم الصغيرة مع بعضها البعض وتتشكل غيوم أكبر. عند الوصول إلى مرحلة النمو النهائية ، تتشكل السحب التراكمية أو العواصف الرعدية.
الحمل الحراري في علم الأرصاد الجوية والجيولوجيا
- الحمل الحراري - الوشاح الصخري للأرض يتحرك ببطء بسبب التيارات الحرارية التي تنقل الحرارة من باطن الأرض إلى السطح. هذا هو سبب تحرك الصفائح التكتونية تدريجياً حول الأرض. تضاف مادة ساخنة عند الحواف المتزايدة للصفيحة ثم تبرد. عند حواف الاستهلاك ، تصبح المادة كثيفة بالتقلص من الحرارة وتغرق في الأرض عند خندق محيطي. هذا يؤدي إلى تكوين البراكين.
- الدوران المحيطي - يدور الماء الدافئ حول خط الاستواء نحو القطبين ويتحرك الماء البارد عند القطبين نحو خط الاستواء.
- تأثير المداخن أو المدخنة - هذا هو حركة الهواء داخل وخارج المباني أو المداخن أو الأشياء الأخرى بسبب الطفو. في هذه الحالة ، يشير الطفو إلى كثافات مختلفة في الهواء بين الهواء بالداخل والهواء بالخارج. تزداد قوة الطفو بسبب الارتفاع الأكبر للهيكل والاختلاف الأكبر بين مستوى حرارة الهواء الداخلي والخارجي.
- الحمل الحراري للنجم - يحتوي النجم على منطقة حمل حراري حيث يتم نقل الطاقة بالحمل الحراري. خارج النواة توجد منطقة إشعاع حيث تتحرك البلازما. يتشكل تيار الحمل عندما ترتفع البلازما وتنخفض البلازما المبردة.
- الحمل الحراري بالجاذبية - يظهر هذا عندما ينتشر الملح الجاف إلى أسفل في التربة الرطبة لأن المياه العذبة طافية في المياه المالحة.
- تظهر تيارات الحمل في الشمس . الحبيبات التي تظهر في الغلاف الضوئي للشمس هي قمم خلايا الحمل الحراري. في حالة الشمس والنجوم الأخرى ، يكون السائل بلازما وليس سائلًا أو غازًا.
الحراري الجبري
هذا هو المكان الذي يتم فيه استخدام جهاز خارجي مثل مروحة أو مضخة أو جهاز شفط لتسهيل الحمل الحراري.
فيما يلي بعض الأمثلة على الحمل القسري:
- المبرد - في الرادياتير ، يتم وضع عنصر التسخين أسفل الماكينة. وبالتالي ، يتم استبدال الهواء الدافئ من عنصر التسخين هذا بالهواء البارد.
- الثلاجة - يتم وضع وحدة الفريزر في الأعلى. والسبب وراء ذلك هو أن الهواء الدافئ داخل الثلاجة سيرتفع ولكن الهواء البارد في منطقة المجمد سوف يغوص ويبقي الجزء السفلي من الثلاجة دافئًا.
- مكيف الهواء - يتم وضع وحدة التبريد في مكيف الهواء في الأعلى. وبالتالي ، يرتفع الهواء الدافئ إلى وحدة التبريد ، ويتم استبداله بالهواء البارد ، ويتم تبريد الغرفة.
- بوبر الهواء الساخن - يحتوي على مروحة وعنصر تسخين وفتحة تهوية. عندما يتم تشغيل الفشار ، تنفخ المروحة الهواء على عنصر التسخين عبر الفتحة. يصبح الهواء دافئًا وبالتالي يرتفع. توضع حبات الفشار فوق عنصر التسخين مباشرة. يرتفع الهواء الساخن ويتم تسخين حبات الفشار. هذه هي الطريقة التي نحصل بها على الفشار اللذيذ.
- الفرن الحراري - في الفرن الحراري ، يتم استخدام مبدأ الحمل القسري. يتم إجبار الهواء الموجود في الحجرة على التسخين باستخدام عناصر التسخين. بسبب هذه التسخين ، تتوسع جزيئات الهواء وتتحرك. يتم طهي الطعام بالداخل بسبب هذا الهواء الدافئ.
- محرك تبريد الهواء - يتم تبريد المحركات التي يتم تبريدها بالهواء بواسطة التيارات الحرارية في أنابيب المياه الخاصة بها. المحرك ، الذي يعمل لفترة طويلة ، يسخن. يجب تبريد الحرارة التي يتم تبديدها للحفاظ على عمل المحرك. المحرك مغطى بغطاء مائي يتم تسخينه. بسبب هذه التسخين ، يتدفق الماء الدافئ عبر الأنابيب المحيطة بالمحرك. تحتوي هذه الأنابيب على مراوح يتم من خلالها تبريد الماء الدافئ. هذا الماء الدافئ ، وفقًا لمبدأ الحمل الحراري ، يغرق ، وبالتالي يبرد المحرك.
