Back to the topics list

همرفت

انتقال حرارت همرفتی که اغلب به آن همرفتی گفته می شود، انتقال گرما از یک مکان به مکان دیگر توسط حرکت سیالات است. همرفت معمولاً شکل غالب انتقال حرارت در مایعات و گازها است.

جابجایی زمانی اتفاق می‌افتد که نواحی گرم‌تر یک مایع یا گاز به مناطق خنک‌تر در مایع یا گاز افزایش می‌یابد. مایع یا گاز خنک‌تر جای نواحی گرم‌تری را می‌گیرد که بالاتر رفته‌اند. این منجر به یک الگوی گردش مداوم می شود.

همرفت یک فرآیند انتقال حرارت است. هنگامی که جریان تولید می شود، ماده از یک مکان به مکان دیگر منتقل می شود. بنابراین، این نیز یک فرآیند انتقال جرم است.

جابجایی جریان گرما از طریق یک حرکت توده ای و ماکروسکوپی ماده از یک منطقه گرم به یک منطقه سرد است، برخلاف انتقال میکروسکوپی گرما بین اتم های درگیر با رسانایی.

فرض کنید ما یک منطقه محلی از هوا را گرم می کنیم. همانطور که این هوا گرم می شود، مولکول ها پخش می شوند و باعث می شود این ناحیه نسبت به هوای گرم نشده اطراف چگالی کمتری داشته باشد. چگالی کمتری نسبت به هوای خنک‌تر اطراف، هوای گرم متعاقباً به دلیل نیروهای شناور افزایش می‌یابد - این حرکت هوای گرم به سمت یک منطقه خنک‌تر گفته می‌شود که گرما را با همرفت منتقل می‌کند.

جوشاندن آب در تابه نمونه خوبی از انتقال گرما توسط همرفت است. هنگامی که اجاق گاز برای اولین بار روشن می شود، حرارت ابتدا از طریق رسانایی بین عناصر از طریق ته دیگ به آب منتقل می شود. با این حال، در نهایت، آب شروع به حباب زدن می کند، این حباب ها در واقع نواحی محلی از آب گرم هستند که به سطح بالا می آیند، در نتیجه گرما را از آب داغ در پایین به آب سردتر در بالا با همرفت انتقال می دهند. در همان زمان، آب سردتر و متراکم تر در بالا به پایین فرو می رود، جایی که متعاقباً گرم می شود.

مثال خوب دیگر همرفت در جو است. سطح زمین توسط خورشید گرم می شود، هوای گرم بالا می آید و هوای خنک به داخل حرکت می کند.

همرفتی که به طور طبیعی اتفاق می افتد، همرفت طبیعی یا همرفت آزاد نامیده می شود. اگر سیال با استفاده از فن یا پمپ به گردش در آید، به آن همرفت اجباری می گویند. سلولی که توسط جریان های همرفتی تشکیل می شود، سلول همرفتی یا سلول بنارد نامیده می شود.

یکی دیگر از نمونه های مهم جریان های همرفتی، ایجاد نسیم بر روی توده های خشکی در کنار توده های بزرگ آبی است. آب ظرفیت گرمایی بیشتری نسبت به زمین دارد و در نتیجه گرما را بهتر نگه می دارد. بنابراین، تغییر دمای آن، چه به سمت بالا یا پایین، به زمان بیشتری نیاز دارد. بنابراین، در طول روز هوای بالای آب سردتر از هوای روی زمین خواهد بود. این یک منطقه کم فشار بر روی زمین، نسبت به منطقه پرفشار روی آب ایجاد می کند، و متعاقبا نسیم هایی را می بینید که از آب به سمت خشکی می وزد. از سوی دیگر، در طول شب، آب کندتر از خشکی سرد می شود و هوای بالای آب کمی گرمتر از روی زمین است. این یک ناحیه کم فشار بر روی آب نسبت به منطقه پرفشار روی زمین ایجاد می کند و نسیم از خشکی به سمت آب می وزد.

انواع همرفت حرارتی

همرفت حرارتی سه نوع طبیعی، اجباری و مختلط است.

• جابجایی اجباری - در یک مورد، گرما ممکن است به صورت غیرفعال توسط حرکت سیال منتقل شود، که حتی بدون فرآیند گرمایش، یک فرآیند انتقال حرارت به صورت آزاد به عنوان همرفت اجباری نامیده می‌شود.
• همرفت طبیعی - در حالت دیگر، گرمایش خود ممکن است باعث حرکت سیال از طریق نیروهای انبساط و شناوری شود، در حالی که به طور همزمان باعث انتقال گرما توسط این حرکت می شود - فرآیندی که به نام همرفت طبیعی یا همرفت آزاد شناخته می شود.
• همرفت مختلط (ترکیب) ترکیبی از همرفت اجباری و آزاد است که حالت عمومی همرفت زمانی است که یک جریان به طور همزمان توسط یک سیستم فشار خارجی (یعنی تامین انرژی بیرونی به سیستم بدن با جریان سیال) و حجمی داخلی تعیین می شود. جرم) نیروها، به عنوان مثال، توسط توزیع چگالی غیر یکنواخت یک محیط سیال در میدان گرانش.

چند نمونه روزمره از همرفت طبیعی

1. آب جوش - جوشاندن آب در یک کاسه نیز بر اساس اصل همرفت عمل می کند. وقتی آب شروع به گرم شدن می کند، مولکول های آب منبسط شده و در گلدان حرکت می کنند. بنابراین گرما به قسمت های دیگر قابلمه منتقل می شود و در حالی که آب گرم بالا می آید، آب سرد شروع به فرو رفتن می کند.
2. یک مثال ساده از جریان های همرفتی، هوای گرم است که به سمت سقف یا اتاق زیر شیروانی خانه بالا می رود . هوای گرم چگالی کمتری نسبت به هوای سرد دارد، بنابراین بالا می رود.
3. باد نمونه ای از جریان همرفتی است. نور خورشید یا نور منعکس شده گرما را ساطع می کند و اختلاف دما ایجاد می کند که باعث حرکت هوا می شود. مناطق سایه دار یا مرطوب خنک تر هستند یا می توانند گرما را جذب کنند و به تأثیر آن می افزایند. جریان های همرفتی بخشی از آنچه گردش جهانی جو زمین را به حرکت در می آورد.
4. بخارپز کردن فنجان نوشیدنی داغ - ممکن است مشاهده کرده باشید که بخار از یک فنجان چای یا قهوه داغ خارج می شود. در اثر گرمای سیال، هوای گرم بالا می رود. این هوای گرم بخار است.
5. ذوب یخ - گرما از هوا به سمت یخ حرکت می کند. این باعث ذوب شدن از جامد به مایع می شود.
6. بالون هوای گرم - بخاری داخل بالون هوا را گرم می کند و بنابراین هوا به سمت بالا حرکت می کند. این باعث بالا آمدن بالون می شود زیرا هوای گرم داخل آن محبوس می شود. هنگامی که خلبان می خواهد فرود بیاید، مقداری از هوای گرم را آزاد می کند و هوای خنک جای آن را می گیرد و باعث پایین آمدن بالون می شود.
7. ذوب شدن مواد منجمد - غذای منجمد در زیر آب جاری سرد سریعتر از قرار دادن آن در آب ذوب می شود. عمل آب جاری گرما را سریعتر به غذا منتقل می کند.
8. رعد و برق - آب گرم از اقیانوس ها در هوا بالا می رود و به قطرات آب اشباع تبدیل می شود که ابرها را تشکیل می دهند. هنگامی که این روند ادامه پیدا می کند، ابرهای کوچکتر با یکدیگر برخورد می کنند و ابرهای بزرگتری تشکیل می شوند. با رسیدن به مرحله نهایی رشد، ابرهای کومولونیمبوس یا رعد و برق تشکیل می شوند.

همرفت در هواشناسی و زمین شناسی

1. همرفت گوشته - گوشته سنگی زمین به دلیل جریانهای همرفتی که گرما را از داخل زمین به سطح بالا منتقل می کند، به کندی حرکت می کند. به همین دلیل است که صفحات تکتونیکی به تدریج در اطراف زمین حرکت می کنند. مواد داغ در لبه های در حال رشد یک بشقاب اضافه می شود و سپس خنک می شود. در لبه های مصرف، مواد با انقباض از گرما متراکم می شوند و در یک گودال اقیانوسی به زمین فرو می روند. این باعث تشکیل آتشفشان ها می شود.
2. گردش اقیانوسی - آب گرم در اطراف استوا به سمت قطب ها در گردش است و آب خنک تر در قطب ها به سمت استوا حرکت می کند.
3. اثر پشته یا دودکش – این حرکت هوا به داخل و خارج ساختمان ها، دودکش ها یا سایر اشیاء به دلیل شناوری است. در این مورد، شناوری به چگالی های مختلف در هوا بین هوای داخل و هوای بیرون اشاره دارد. نیروی شناوری به دلیل ارتفاع بیشتر سازه و اختلاف بیشتر بین سطح حرارت هوای داخل و خارج افزایش می یابد.
4. همرفت یک ستاره - یک ستاره دارای ناحیه همرفتی است که در آن انرژی توسط همرفت حرکت می کند. خارج از هسته یک ناحیه تابشی است که پلاسما در آن حرکت می کند. هنگامی که پلاسما بالا می رود و پلاسمای سرد شده پایین می آید، جریان همرفتی تشکیل می شود.
5. همرفت گرانشی - این نشان می دهد که نمک خشک به سمت پایین به خاک مرطوب پخش می شود زیرا آب شیرین در آب شور شناور است.
6. جریانهای همرفتی در خورشید مشهود است. گرانول هایی که در فتوسفر خورشید دیده می شوند، بالای سلول های همرفتی هستند. در مورد خورشید و سایر ستارگان، مایع پلاسما است تا مایع یا گاز.

همرفت اجباری

این جایی است که از یک دستگاه خارجی مانند فن، پمپ یا دستگاه مکش برای تسهیل انتقال همرفت استفاده می شود.

در اینجا چند نمونه از همرفت اجباری آورده شده است:

1. رادیاتور - در رادیاتور، عنصر گرمایش در پایین دستگاه قرار می گیرد. بنابراین، هوای گرم از این عنصر گرمایشی با هوای سرد جایگزین می شود.
2. یخچال - واحد فریزر در بالا قرار می گیرد. دلیل این امر این است که هوای گرم داخل یخچال بالا می رود اما هوای سردتر در قسمت فریزر فرو می رود و قسمت پایینی یخچال را گرم نگه می دارد.
3. تهویه مطبوع - واحد خنک کننده در یک تهویه مطبوع در بالا قرار می گیرد. بنابراین، هوای گرم تا واحد خنک کننده بالا می رود، هوای سرد جایگزین آن می شود و اتاق خنک می شود.
4. پوپر هوای داغ - دارای یک فن، یک عنصر گرمایش و یک دریچه است. هنگامی که پوپر روشن می شود، فن هوا را از طریق دریچه به عنصر گرمایش می دمد. هوا گرم می شود و در نتیجه بالا می رود. دانه های پاپ کورن درست بالای عنصر حرارتی قرار می گیرند. هوای گرم بالا می آید و دانه های ذرت بو داده گرم می شوند. اینجوری پاپ کورن خوشمزه مون رو بدست میاریم.
5. کوره همرفت - در اجاق همرفت از اصل همرفت اجباری استفاده می شود. هوای داخل محفظه با استفاده از عناصر گرمایشی مجبور به گرم شدن می شود. در اثر این گرما، مولکول های هوا منبسط شده و حرکت می کنند. غذای داخل به خاطر همین هوای گرم پخته می شود.
6. موتور هوا خنک - موتورهای هوا خنک با جریان های همرفتی در لوله های آب خنک می شوند. موتور با کارکرد طولانی مدت گرم می شود. حرارتی که دفع می شود باید خنک شود تا موتور کار کند. موتور توسط یک ژاکت آبی پوشانده شده است که گرم می شود. به دلیل این گرما، آب گرم از طریق لوله های دور موتور جریان می یابد. این لوله ها دارای فن هایی هستند که به واسطه آن آب گرم خنک می شود. این آب گرم، بر اساس اصل همرفت، فرو می رود و در نتیجه موتور را خنک می کند.