ترمودینامیک، مکانیک سیالات و انتقال حرارت سه علم پایه آموزشگاه فنی برای مهندسی سیالات و انرژی در بسیاری از رشته های مهندسی و طراحی و تحلیل است و دروس اصلی و مشتقات آن در همه ی دانشگاه های دنیا در زیرگروه های مختلف مهندسی تدریس می گردد.
در این مطلب به عمده مباحث اصلی و بنیادی این علوم و دروس می پردازیم
ترمودینامیک
gartenmöbel design
bettwäsche tom und jerry
planeta sport muske patike novi pazar
giorgio armani sport
adidas beckenbauer trening
bomber jakke burgunder
гуми 18 цола
esprit round sunglasses
liemenes mergaitems
windows wont connect to iphone usb
ترمودینامیک، علم رابطه بین گرما، کار، دما و انرژی است. به طور کلی ترمودینامیک با انتقال انرژی از یک مکان به مکان دیگر و از شکلی به شکل دیگر سر و کار دارد. مفهوم کلیدی این است که گرما شکلی از انرژی است که مربوط به مقدار مشخصی از کار مکانیکی است.
اگرچه ترمودینامیک در قرن نوزدهم در پاسخ به نیاز به بهینه سازی عملکرد موتورهای بخار به سرعت توسعه یافت، کلیت گسترده قوانین ترمودینامیک باعث می شود که آنها برای همه سیستم های فیزیکی و بیولوژیکی قابل اجرا باشند. به طور خاص، قوانین ترمودینامیک توصیف کاملی از تمام تغییرات در وضعیت انرژی هر سیستم و توانایی آن برای انجام کارهای مفید بر روی محیط اطراف خود ارائه می دهد
مهمترین قوانین ترمودینامیک عبارتند از:
قانون صفر ترمودینامیک: هنگامی که دو سیستم هر کدام با سیستم سوم در تعادل حرارتی هستند، دو سیستم اول با یکدیگر در تعادل حرارتی هستند. این ویژگی استفاده از دماسنج ها به عنوان «سیستم سوم» و تعریف مقیاس دما را معنادار می کند.
قانون اول ترمودینامیک یا قانون بقای انرژی: تغییر در انرژی داخلی یک سیستم برابر است با تفاوت بین گرمای اضافه شده به سیستم از محیط اطرافش و کار انجام شده توسط سیستم بر روی محیط اطرافش.
قانون دوم ترمودینامیک: گرما به طور خود به خود از یک منطقه سردتر به یک منطقه گرمتر جریان نمی یابد، یا به طور معادل، گرما در یک دمای معین نمی تواند به طور کامل به کار تبدیل شود. در نتیجه، آنتروپی یک سیستم بسته، یا انرژی گرمایی در واحد دما، در طول زمان به سمت مقداری حداکثر افزایش می‌یابد. بنابراین، تمام سیستم های بسته به سمت یک حالت تعادلی تمایل دارند که در آن آنتروپی در حداکثر است و هیچ انرژی برای انجام کار مفید در دسترس نیست.
قانون سوم ترمودینامیک: با نزدیک شدن دما به صفر مطلق، آنتروپی بلور کامل یک عنصر در پایدارترین شکلش به صفر میل می کند. این اجازه می دهد تا یک مقیاس مطلق برای آنتروپی ایجاد شود که از نقطه نظر آماری، میزان تصادفی یا بی نظمی را در یک سیستم تعیین می کند.
مفاهیم اساسی ترمودینامیک
- حالات ترمودینامیکی
کاربرد اصول ترمودینامیکی با تعریف سیستمی آغاز می شود که به نوعی از محیط اطرافش متمایز است. برای مثال، این سیستم می‌تواند نمونه‌ای از گاز درون یک سیلندر با یک پیستون متحرک، یک موتور بخار کامل دوره تجهیزات دوار ، یک دونده ماراتن، سیاره زمین، یک ستاره نوترونی، یک سیاه‌چاله یا حتی کل جهان باشد. به طور کلی، سیستم ها برای تبادل گرما، کار و سایر اشکال انرژی با محیط اطراف خود آزادند.
شرایط یک سیستم در هر زمان معین حالت ترمودینامیکی آن نامیده می شود. برای گاز در سیلندر با پیستون متحرک، وضعیت سیستم با دما، فشار و حجم گاز مشخص می شود. این ویژگی ها پارامترهای مشخصه ای هستند که در هر حالت مقادیر مشخصی دارند و مستقل از نحوه رسیدن سیستم به آن حالت هستند. به عبارت دیگر، هر گونه تغییر در ارزش یک ویژگی فقط به حالت های اولیه و نهایی سیستم بستگی دارد، نه به مسیری که سیستم از یک حالت به حالت دیگر طی می کند. چنین ویژگی هایی را توابع حالت می نامند. در مقابل، کار انجام شده در حین حرکت پیستون و انبساط گاز و گرمایی که گاز از محیط اطراف خود جذب می کند، به روش دقیق انبساط بستگی دارد.
رفتار یک سیستم پیچیده ترمودینامیکی، مانند جو زمین، را می توان با اعمال اصول حالت ها و ویژگی ها برای اجزای سازنده آن درک کرد. با جداسازی نمونه‌هایی از مواد که حالت‌ها و ویژگی‌های آنها قابل کنترل و دست‌کاری است، می‌توان خواص و روابط متقابل آنها را با تغییر سیستم از حالتی به حالت دیگر مطالعه کرد.
- تعادل ترمودینامیکی
یک مفهوم به خصوص مهم تعادل ترمودینامیکی است که در آن هیچ تمایلی برای تغییر خود به خود وضعیت یک سیستم وجود ندارد. به عنوان مثال، گاز موجود در سیلندر با پیستون متحرک اگر دما و فشار داخل آن یکنواخت باشد و اگر نیروی بازدارنده روی پیستون برای جلوگیری از حرکت کافی باشد، در حالت تعادل خواهد بود. سپس تنها با تغییر تحمیل شده خارجی در یکی از توابع حالت، مانند دما با افزودن گرما یا حجم با حرکت پیستون، می توان سیستم را به حالت جدید تغییر داد. دنباله ای از یک یا چند مرحله از این قبیل که حالت های مختلف سیستم را به هم متصل می کند، فرآیند نامیده می شود.
- دما
مفهوم دما برای هر بحث ترمودینامیک اساسی است، اما تعریف دقیق آن موضوع ساده ای نیست. به عنوان مثال، یک میله فولادی در دمای اتاق سردتر از یک میله چوبی است، زیرا فولاد در انتقال گرما از پوست بهتر است. بنابراین لازم است یک روش عینی برای اندازه گیری دما داشته باشیم. به طور کلی، هنگامی که دو جسم در تماس حرارتی قرار می گیرند، حرارت بین آنها جریان می یابد تا زمانی که با یکدیگر به تعادل برسند. هنگامی که جریان گرما متوقف می شود، گفته می شود که در همان دما هستند. قانون صفر ترمودینامیک بیان میکند اگر جسم A همزمان با دو جسم دیگر B و C در تعادل حرارتی باشد، B و C با یکدیگر در تعادل حرارتی خواهند بود اگر در تماس حرارتی قرار گیرند. سپس جسم A می تواند نقش یک دماسنج را از طریق تغییراتی در خواص فیزیکی آن با دما، مانند حجم یا آن، ایفا کند.
- کار و انرژی
انرژی در فیزیک معنای دقیقی دارد که همیشه با زبان روزمره مطابقت ندارد و با این حال تعریف دقیق آن تا حدودی مبهم است. این کلمه از کلمه یونانی ergon به معنای کار گرفته شده است، اما خود اصطلاح کار با ظهور مکانیک نیوتنی معنای فنی پیدا کرد. به عنوان مثال، مردی که ماشین را هل می دهد ممکن است احساس کند که کار زیادی انجام می دهد، اما هیچ کاری واقعاً انجام نمی شود مگر اینکه ماشین حرکت کند. سپس کار انجام شده حاصل ضرب نیروی وارد شده توسط انسان در مسافتی است که خودرو در آن حرکت می کند. اگر اصطکاک وجود نداشته باشد و سطح آن تراز باشد، خودرو پس از به حرکت در آمدن، به غلتیدن نامحدود با سرعت ثابت ادامه خواهد داد.
ترمودینامیک تمام این اشکال انرژی را با افزودن بیشتر گرما به لیست انواع مختلف انرژی در بر می گیرد. با این حال، گرما از این جهت که تبدیل کار (یا سایر اشکال انرژی) به گرما، حتی در تثوری، کاملاً قابل برگشت نیست، تفاوت اساسی با سایرین دارد. در مثال ماشین رول، برخی از کارهایی که برای به حرکت درآوردن خودرو انجام می شود، به ناچار در اثر اصطکاک به صورت گرما از بین می رود و خودرو در نهایت روی یک سطح صاف متوقف می شود. حتی اگر تمام گرمای تولید شده به روشی جمع آوری و ذخیره شود، هرگز نمی تواند به طور کامل به انرژی مکانیکی حرکت تبدیل شود. این محدودیت اساسی به صورت کمی توسط قانون دوم ترمودینامیک بیان می شود
- انرژی داخلی
اگرچه ترمودینامیک کلاسیک منحصراً با خواص ماکروسکوپی مواد مانند دما، فشار و حجم سروکار دارد، انرژی حرارتی حاصل از افزودن گرما را می توان در سطح میکروسکوپی به عنوان افزایش انرژی جنبشی حرکت مولکول های تشکیل دهنده یک ماده درک کرد. ماده برای مثال، مولکول‌های گاز دارای انرژی جنبشی انتقالی هستند که متناسب با دمای گاز است. مولکول‌ها می‌توانند حول مرکز جرم خود بچرخند و اتم‌های تشکیل‌دهنده می‌توانند نسبت به یکدیگر ارتعاش کنند (مانند جرم‌هایی که توسط فنرها به هم متصل می‌شوند). علاوه بر این، انرژی شیمیایی در پیوندهایی که مولکول‌ها را در کنار هم نگه می‌دارند ذخیره می‌شود و برهمکنش‌های دوربرد ضعیف‌تر بین مولکول‌ها انرژی بیشتری را شامل می‌شود. مجموع تمام این اشکال انرژی، کل انرژی درونی ماده را در یک حالت ترمودینامیکی معین تشکیل می دهد. انرژی کل یک سیستم شامل انرژی درونی آن به اضافه هر گونه انرژی دیگری است، مانند انرژی جنبشی ناشی از حرکت سیستم به عنوان یک کل (مثلاً جریان آب در یک لوله) و انرژی پتانسیل گرانشی ناشی از ارتفاع آن.
مکانیک سیالات
مکانیک سیالات، علمی مربوط به پاسخ سیالات به نیروهای وارد شده بر آنهاست. این شاخه ای از فیزیک کلاسیک با کاربردهای بسیار مهم در مهندسی هیدرولیک، تجهیزات ثابت، مهندسی شیمی، هواشناسی و بایومدیکال است.
سیالات به شکلی که همه جانشینان اویلر و برنولی فرض کرده‌اند، محیطی کاملاً پیوسته نیستند، زیرا از مولکول‌های مجزا تشکیل شده‌اند. با این حال، مولکول‌ها آنقدر کوچک هستند و به جز در گازهایی که فشار بسیار پایینی دارند، تعداد مولکول‌ها در هر میلی‌لیتر آنقدر زیاد است که نیازی به مشاهده آنها به‌عنوان موجودات جداگانه نیست. مایعات کمی وجود دارند که به عنوان کریستال های مایع شناخته می شوند، که در آنها مولکول ها به گونه ای در کنار هم قرار می گیرند که خواص محیط را به صورت موضعی ناهمسانگرد می کنند، اما اکثریت قریب به اتفاق مایعات (از جمله هوا و آب) همسانگرد هستند. در مکانیک سیالات، وضعیت یک سیال همسانگرد را می‌توان با تعریف میانگین جرم آن در واحد حجم، یا چگالی (ρ)، دمای آن (T) و سرعت آن (v) در هر نقطه از فضا، و دقیقاً توصیف کرد. ارتباط بین این خواص ماکروسکوپی است و موقعیت و سرعت تک تک مولکول ها هیچ ارتباط مستقیمی ندارد.
دو نوع تنش ممکن است در هر محیط جامد یا سیال وجود داشته باشد، و تفاوت بین آنها ممکن است با اشاره به آجری که بین دو دست نگه داشته شده است نشان داده شود. اگر نگهدارنده دست های خود را به سمت یکدیگر حرکت دهد، روی آجر فشار وارد می کند. اگر یک دست خود را به سمت بدن خود و دست دیگر را از آن دور کند، به آن تنش برشی وارد می کند. یک ماده جامد مانند آجر می تواند هر دو نوع تنش را تحمل کند، اما سیالات، بنا به تعریف، هر چقدر هم که این تنش ها کوچک باشند، در برابر تنش های برشی تسلیم می شوند. آنها این کار را با سرعت تعیین شده توسط ویسکوزیته سیال انجام می دهند. این خاصیت، ، معیاری از اصطکاک است که هنگام لغزش لایه های سیال مجاور روی یکدیگر ایجاد می شود. نتیجه این است که تنش های برشی در سیال در حالت سکون و در حالت تعادل در همه جا صفر هستند و از این نتیجه می توان نتیجه گرفت که فشار (یعنی نیروی در واحد سطح) که عمود بر تمام سطوح سیال عمل می کند صرف نظر از جهت آنها یکسان است. (قانون پاسکال). برای یک سیال همسانگرد در حالت تعادل، تنها یک مقدار از فشار محلی (p) مطابق با مقادیر بیان شده برای ρ و T وجود دارد. این سه کمیت توسط چیزی که معادله حالت سیال نامیده می شود به هم مرتبط می شوند.
مفاهیم اساسی مکانیک سیالات
مفاهیم بنیادی مکانیک در دو گروه هیدرواستاتیک و هیدرو دینامیک دسته بندی می شود.
از جمله مفاهیم هیدرواستاتیک می توان به موارد زیر پرداخت:
- مانومترهای دیفرانسیل
ابزارهای مقایسه فشار، مانومترهای دیفرانسیل نامیده می‌شوند و ساده‌ترین این ابزار یک لوله U حاوی مایع است.. فشارسنج که در قرن هفدهم توسط فیزیکدان و ریاضیدان ایتالیایی اوانجلیستا توریچلی اختراع شد و هنوز هم استفاده می شود، یک لوله U است که در یک انتها مهر و موم شده است ممکن است با مایع پر شود، با انتهای مهر و موم شده به سمت پایین، و سپس معکوس شود. در وارونگی، اگر ستون به اندازه کافی بلند باشد، ممکن است به طور لحظه ای فشار منفی در بالای ستون مایع ایجاد شود. با این حال، کاویتاسیون به طور معمول در آنجا رخ می دهد و ستون از انتهای مهر و موم شده لوله دور می شود. بین این دو چیزی وجود دارد که توریچلی به عنوان خلاء تصور می کرد، اگرچه ممکن است بسیار دور از آن شرایط باشد اگر فشارسنج بدون اقدامات احتیاطی دقیق پر شده باشد تا اطمینان حاصل شود که تمام گازهای محلول یا جذب شده، که در غیر این صورت در این فضا جمع می شوند.
حتی اگر هیچ گاز آلوده کننده ای وجود نداشته باشد، خلاء توریسلی همیشه حاوی بخار مایع است و فشاری که ممکن است کوچک باشد اما هرگز کاملاً صفر نیست اعمال می کند. مایعی که به طور معمول در فشارسنج توریچلی استفاده می شود، جیوه است که فشار بخار کم و چگالی بالایی دارد. چگالی بالا به این معنی است که h ارتفاعی تنها حدود 760 میلی متر است. اگر از آب استفاده می شد، به جای آن باید حدود 10 متر باشد.
- اصل ارشمیدس
اصل ارشمیدس بیان می کند که رانشی که توسط یک جسم غوطه ور یا شناور تجربه می شود، همیشه برابر با وزن مایعی است که بدن جابجا می کند. در واقع اگر جسم جامد را بتوان به نحوی حذف کرد و اگر حفره ایجاد شده به وسیله آن می توانست به نحوی با مایع بیشتری پر شود، کل سیستم همچنان در تعادل خواهد بود. با این حال، سیال اضافی پس از آن فشاری را تجربه می کند که قبلاً توسط جسم جامد تجربه شده بود، و در حالت تعادل نخواهد بود مگر اینکه این فقط برای متعادل کردن وزن آن کافی باشد.
ارشمیدس در پی این بود که با آزمایشی ساده، کشف کند که آیا تاج پادشاه هیرون دوم از طلای خالص ساخته شده است یا از طلای رقیق شده با نقره. او فهمید که فلز خالص و آلیاژ از نظر چگالی متفاوت هستند و می‌توانست چگالی تاج را با وزن کردن آن برای یافتن جرم آن و اندازه‌گیری جداگانه حجم آن تعیین کند. شاید الهامی که به او (در حمام) برخورد کرد این بود که می توان حجم هر جسمی را با غوطه ور کردن آن در مایع و اندازه گیری حجم آن پیدا کرد. این روش شامل دو بار وزن کردن جسم است، اول، زمانی که در خلاء معلق است (معمولاً تعلیق در هوا کافی است) و دوم، زمانی که کاملاً در مایعی با چگالی ρ غوطه ور شود. اگر چگالی جسم ρ′ باشد، اختلاف بین دو وزن برابر با وزن جرمی در ارتفاع غوطه وری است
- کشش سطحی مایعات و مویینگی
از میان بسیاری از پدیده های هیدرواستاتیکی که کشش سطحی مایعات در آنها نقش دارد، احتمالاً مهم ترین آنها مویینگی است. در نظر بگیرید که چه اتفاقی می افتد وقتی یک لوله با سوراخ باریک، که اغلب لوله مویرگی نامیده می شود، در یک مایع فرو می رود. اگر مایع لوله را خیس کند (با زاویه تماس صفر)، سطح مایع داخل لوله یک منیسک مقعر را تشکیل می دهد که یک سطح تقریباً کروی است که شعاع r برابر با داخل لوله دارد. لوله نیروی رو به پایین قدر 2πrdσ را تجربه می کند که σ کشش سطحی مایع است و مایع واکنشی به بزرگی مساوی را تجربه می کند که منیسک را از ارتفاع h بالا می برد
هیدرودینامیک-قانون برنولی
این بخش به سیالاتی می پردازد که به شکلی ثابت در حرکت هستند به طوری که سرعت سیال در هر نقطه معین از فضا با زمان تغییر نمی کند. هر الگوی جریانی که به این معنا ثابت باشد، ممکن است در قالب مجموعه ای از خطوط جریان، مسیر ذرات خیالی معلق در سیال و همراه با آن دیده شود. در جریان ثابت، سیال در حرکت است اما خطوط جریان ثابت هستند. در جایی که خطوط جریان با هم جمع می شوند، سرعت سیال نسبتاً زیاد است. جایی که آنها باز می شوند، مایع نسبتاً راکد می شود.
زمانی که اویلر و برنولی پایه‌های هیدرودینامیک را می‌گذاشتند، سیال را به‌عنوان یک ماده غیر لزج ایده‌آل در نظر گرفتند که در آن، مانند سیال در حالت سکون در حالت تعادل، تنش‌های برشی مرتبط با ویسکوزیته صفر و فشار p همسانگرد است. آنها به قانون ساده ای رسیدند که تغییر p در امتداد یک خط جریان را به تغییر v مرتبط می کند (اصل به برنولی نسبت داده می شود، اما به نظر می رسد اولر به آن رسیده است)، که برای توضیح بسیاری از پدیده هایی است که سیالات واقعی در نمایشگر حرکت ثابت برای این سوال اجتناب ناپذیر که چه زمانی و چرا نادیده گرفتن ویسکوزیته قابل توجیه است پاسخ واحدی وجود ندارد.
انتقال حرارت
انتقال حرارت علمی است که به دنبال پیش بینی انتقال انرژی است که ممکن است بین اجسام مادی در نتیجه اختلاف دما اتفاق بیفتد. در ترمودینامیک این انتقال انرژی به عنوان گرما تعریف می شود. علم انتقال حرارت نه تنها به دنبال توضیح چگونگی انتقال انرژی گرمایی است، بلکه به دنبال پیش‌بینی نرخی است که در آن مبادله در شرایط خاص مشخص می‌شود. این واقعیت که نرخ انتقال حرارت هدف مورد نظر یک تحلیل است، به تفاوت بین انتقال حرارت و ترمودینامیک اشاره می کند. ترمودینامیک با سیستم های در تعادل سر و کار دارد. ممکن است برای پیش بینی مقدار انرژی مورد نیاز برای تغییر یک سیستم از یک حالت تعادل به حالت دیگر استفاده شود. از آنجایی که سیستم در طول فرآیند در تعادل نیست، ممکن است برای پیش بینی سرعت وقوع تغییر استفاده نشود. اما انتقال حرارت، اصول اول و دوم ترمودینامیک را با ارائه قوانین تجربی اضافی که ممکن است برای تعیین نرخ های انتقال انرژی مورد استفاده قرار گیرد، به کار می برد. همانطور که در علم ترمودینامیک، قوانین تجربی که به عنوان مبنای موضوع انتقال حرارت مورد استفاده قرار می‌گیرند، نسبتاً ساده هستند و به راحتی گسترش می‌یابند تا موقعیت‌های عملی مختلفی را در بر گیرند.
به عنوان نمونه ای از انواع مسائلی که در ترمودینامیک و انتقال حرارت مطرح می شوند، خنک سازی یک میله فولادی داغ را در نظر بگیرید که در یک سطل آب قرار می گیرد. ترمودینامیک ممکن است برای پیش بینی دمای تعادل نهایی ترکیب میله فولادی در آب استفاده شود. ترمودینامیک به ما نمی گوید که چقدر طول می کشد تا به این شرایط تعادل برسیم یا دمای میله بعد از مدت زمان معینی قبل از رسیدن به شرایط تعادل چقدر خواهد بود. اما انتقال حرارت برای پیش بینی دمای میله و آب به عنوان تابعی از زمان استفاده می شود.
به طور کلی در انتقال حرارت سه حالت انتقال حرارت استفاده می شود: هدایت، همرفت و تابش.
انتقال حرارت چگونگی انتقال حرارت رسانایی، همرفتی و تشعشعی یا تابش را با کمک آنالیز ریاضی و داده‌های تجربی محاسبه میکند
مفاهیم اساسی انتقال حرارت
- انتقال حرارت هدایتی
هنگامی که یک گرادیان دما در یک جسم وجود دارد، تجربه نشان داده است که انتقال انرژی از ناحیه با دمای بالا به منطقه با دمای پایین وجود دارد.انرژی توسط رسانایی منتقل می شود و نرخ انتقال حرارت در واحد سطح با گرادیان دمای معمولی متناسب است:
که در آن نرخ انتقال حرارت و
گرادیان دما در جهت جریان گرما است. ثابت مثبت k با واحد وات بر متر بر درجه سانتیگراد رسانایی حرارتی ماده نامیده می شود و علامت منفی درج می شود تا اصل دوم ترمودینامیک برآورده شود. این معادله به نام ژوزف فوریه، فیزیکدان ریاضی فرانسوی، قانون هدایت گرما فوریه نامیده می شود، که سهم بسیار مهمی در حل تحلیلی انتقال حرارت رسانایی یا هدایت داشت. توجه به این نکته ضروری است که این معادله تعیین کننده برای هدایت حرارتی استکه در آن جریان گرما بر حسب وات بیان می شود.
اگر دمای جامد با گذشت زمان در حال تغییر باشد، یا اگر منابع گرمایی یا غرق‌هایی در جامد وجود داشته باشد، وضعیت پیچیده‌تر است. ما حالت کلی را در نظر می‌گیریم که در آن دما ممکن است با زمان تغییر کند و ممکن است منابع گرما وجود داشته باشد.
- انتقال حرارت ناپایا
اگر یک جسم جامد به طور ناگهانی در معرض تغییر در محیط قرار گیرد، مدتی باید بگذرد تا شرایط دمایی تعادل در بدن حاکم شود. ما به شرایط تعادل به عنوان حالت پایا اشاره می کنیم در فرآیند گرمایش یا سرمایش گذرا یا ناپایا که در دوره میانی قبل از برقراری تعادل اتفاق می‌افتد، تجزیه و تحلیل باید به گونه‌ای اصلاح شود که تغییر انرژی درونی بدن با گذشت زمان در نظر گرفته شود و شرایط مرزی باید تغییر کند.. تحلیل انتقال حرارت حالت ناپایا بدیهی است که به دلیل تعداد زیاد فرآیندهای گرمایش و سرمایش که باید در کاربردهای صنعتی محاسبه شوند، از اهمیت عملی قابل توجهی برخوردار است.
معادله دیفرانسیل تغییرات دمای یک جسم در حالت ناپایا به شرح زیر است
- انتقال حرارت همرفت
موضوع انتقال حرارت همرفتی به تعادل انرژی همراه با تجزیه و تحلیل دینامیک سیالات نیاز دارد. از مشکلات مربوطه در همرفت برخی از روابط ساده دینامیک سیالات و تجزیه و تحلیل لایه مرزی برای درک اساسی انتقال حرارت جابجایی مهم هستند.
اصول فرآیند همرفت و ارتباط آنها با دینامیک سیالات، با تأکید اولیه بر درک واضح مکانیسم فیزیکی، نشان داده می شود.
دو نوع همرفت به دو نوع اجباری و آزاد تقسیم می شود. انتقال حرارت جابجایی فقط محاسبه سیستم های همرفت اجباری را در نظر گرفته است که در آن سیال توسط یا از طریق سطح انتقال حرارت تحت فشار قرار می گیرد.
همرفت طبیعی یا آزاد در نتیجه حرکت سیال به دلیل تغییرات چگالی ناشی از فرآیند گرمایش مشاهده می‌شود. رادیاتور که برای گرم کردن اتاق استفاده می‌شود نمونه‌ای از دستگاه‌های کاربردی است که گرما را با همرفت آزاد منتقل میکند. حرکت سیال در جابجایی آزاد، چه گاز باشد و چه مایع، ناشی از نیروهای شناوری است که بر سیال اعمال می شود، زمانی که چگالی آن در مجاورت سطح انتقال حرارت در نتیجه فرآیند گرمایش کاهش می یابد. اگر سیال توسط میدان نیروی خارجی مانند گرانش وارد نشود، نیروهای شناوری وجود ندارند، اگرچه گرانش تنها نوع میدان نیرو نیست که می‌تواند جریان‌های همرفت آزاد را ایجاد کند. یک سیال محصور در یک ماشین دوار توسط یک میدان نیروی گریز از مرکز بر روی آن اثر می گذارد، و بنابراین اگر یک یا چند سطح در تماس با سیال گرم شود، می تواند جریان های همرفت آزاد را تجربه کند. نیروهای شناوری که باعث ایجاد جریان های همرفت آزاد می شوند، نیروهای بدنه نامیده می شوند
- انتقال حرارت تشعشعی
انتقال حرارت تشعشعی با استفاده از امواج الکترومغناطیسی که از جسمی به جسم دیگر منتقل می شود، صورت می گیرد. نیازی به محیط ندارد و بنابراین می تواند گرما را در خلاء منتقل کند. توسط معادله انتقال حرارت تشعشعی استفان بولتزمن اداره می شود. تشعشعات حرارتی عبارتند از تابش الکترومغناطیسی که از یک جسم در نتیجه دمای آن ساطع می شود. در حرارت تشعشعی، ابتدا ماهیت تابش حرارتی، ویژگی های آن و خواصی که برای توصیف مواد مورد استفاده قرار می گیرد تا آنجایی که به تابش مربوط می شود، بررسی می شود. در مرحله بعد، انتقال تابش از طریق فضا در نظر گرفته می شود. در نهایت، مسئله کلی انتقال حرارت توسط تابش حرارتی، از جمله تأثیر خواص مواد و آرایش هندسی اجسام بر کل انرژی که ممکن است مبادله شود، تحلیل می شود.
منابع:
https://www.britannica.com/science/thermodynamics/Thermodynamic-equilibrium
https://www.sciencedirect.com/topics/chemistry/heat-transfer
https://www.britannica.com/science/fluid-mechanics/Hydrodynamics
