دانلود تحقیق انتقال گرما در مواد

انتقال گرما در مواد به سه روش انجام می شود: 1- رسانایی 2- همرفت 3- تابش رسانایی : در انتقال گرما به این روش ابتدا قسمتی از ماده گرم می شود ملکولهای آن قسمت جنبش بیشتری پیدا می کنند سپس به ملکولهای مجاور برخورد کرده انها را نیز به حرکت در می اورنداین کار در سرتاسر ماده ادامه می یابد تا این که ماده گرم می شود.

روش رسانایی در سه حالت ماده یکسان نیست .

مواد جامد چون فاصله بین ملکولهایشان کمتر است گرما را سریعتر منتقل میکنند در مایعات میزان رسانایی از جامدات کمتر است ودر گازها که فاصله ملکولها از همه بیشتر است میزان رسانایی از همه کمتر است.

همه جامدات نیز به یک اندازه رسانایی ندارند فلزات بیشتر و نافلزات کمتر گرما را به این روش منتقل میکنند.

همرفت : در انتقال گرما به این روش ملکولهای ماده نیز ضمن انتقال گرما حرکت می کنند.برای یادگیری این روش دانش اموزان ابتدا باید با مفهوم چگالی اشنا شوند.

فرض کنید مکعبی به حجم یک سانتی متر مکعب داریم اگر جرم ان را اندازه بگیریم و عدد بدست امده را بر حجم تقسیم کنیم جواب حاصل چگالی جسم است مشخص است که اگر عدد جرم ثابت باشدو حجم مختلف باشد جسمی که حجم کمتری دارد چگالی بیشتر و جسمی که حجم بیشتر دارد چگالی کمتری دارد.

بنابراین همیشه چگالی یک ماده سرد بیشتر از همان ماده گرم است.

حال برای توضیح روش همرفت یک بخاری را در نظر بگیرید هوای سرد که چگالی بیشتری دارد و سنگینتر است در پایین قرار دارد در مجاورت بخاری گرم شده چگالی ان کم میگردد و سبک شده به طرف بالا می رود.

دوباره هوای سرد دیگری جای ان می نشیند واین کار مرتب ادامه می یابد تا تمام هوا گرم شود.

برای ایجاد جریان همرفتی سه شرط لازم است: 1- ماده باید مایع یا گاز باشد.

2- بین دو نقطه از جسم اختلاف دما وجود داشته باشد یعنی قسمتی گرم و قسمتی سرد باشد.

3- قسمت گرم پایینتر از قسمت سرد باشد.

تابش : در این روش برخلاف دو روش قبل برای انتقال گرما نیاز به ماده نیست مانند گرمای خورشید که از فضای بدون ماده عبور کرده و به ما می رسد.

میزان گرمای منتقل شده از روش تابش به دو عامل بستگی دارد : دمای جسم و رنگ ان هرچه دمای یک جسم بیشتر باشد میزان گرمای تابش شده از ان بیشتر است واگر دمای ان کمتر باشد بیش از انکه گرما را تابش کند دریافت می کند.

رنگ نیز در میزان تابش اثر دارد اجسامی که سیاه هستند نسبت به سایر رنگها انرژی گرمایی بیشتری تابش می کنند و در عوض رنگ نقره ای از همه رنگ ها تابش کمتری دارد به همین دلیل است که بالن هایی که برای پروازهای طولانی مدت ساخته شده اند رنگ نقره ای دارند تا هوای گرم داخل بالن زود گرمای خود را منتقل نکند.

انتقال گرما به وسیله نانوسیالات اخیراً استفاده از نانوسیالات که در حقیقت سوسپانسیون پایداری از نانوفیبرها و نانوذرات جامد هستند، به عنوان روشی جدید در عملیات انتقال حرارت مطرح شده است.

تحقیقات اخیر روی نانوسیالات، افزایش قابل توجهی را در هدایت حرارتی آنها نسبت به سیالات بدون نانوذرات و یا همراه با ذرات بزؠ [ نانو تکنولوژی » مقالات متفرقه نانو تکنولوژی ] [ جمعه 12 مرداد 1386 ] [ بازدید: 848 ] سیستم‌های خنک کننده، یکی از مهم‌ترین دغدغه‌های کارخانه‌ها و صنایع و هر جایی است که به نوعی با انتقال گرما روبه‌رو می‌‌‌‌‌‌‌باشد.

در این شرایط استفاده از سیستم‌های خنک‌کننده پیشرفته و بهینه، کاری اجتناب‌ناپذیر است.

بهینه‌سازی سیستم‌های انتقال حرارت موجود، در اکثر مواقع به وسیله افزایش سطح آنها صورت می‌گیرد که همواره باعث افزایش حجم و اندازه این دستگاه‌ها می‌شود؛ لذا برای غلبه‌ بر این مشکل، به خنک کننده‌های جدید و مؤثر نیاز است و نانو سیالات به عنوان راهکاری جدید در این زمینه مطرح شده‌اند.

نانوسیالات به علت افزایش قابل توجه خواص حرارتی، توجه بسیاری از دانشمندان را در سال‌های اخیر به خود جلب کرده است، به عنوان مثال مقدار کمی (حدود یک درصد حجمی) از نانوذرات مس یا نانولوله‌های کربنی در اتیلن گلیکول یا روغن به ترتیب افزایش 40 و 150 درصدی در هدایت حرارتی این سیالات ایجاد می‌کند؛ در حالی که برای رسیدن به چنین افزایشی در سوسپانسیون‌های معمولی، به غلظت‌های بالاتر از ده درصد از ذرات احتیاج است.

البته از سوسپانسیون نانوذرات فلزی، در دیگر زمینه‌ها از جمله صنایع دارویی و درمان سرطان نیز استفاده شده است.

تصاویر میکروسکوپی از نانو سیال مس (چپ)، نانو ذرات اکسید مس (وسط) ذرات کلوئیدی طلاسرب (راست) انتقال حرارت در سیالات ساکن خواص استثنایی نانوسیالات شامل هدایت حرارتی بیشتر نسبت به سوسپانسیون‌های معمولی، رابطه غیرخطی بین هدایت وغلظت مواد جامد و بستگی شدید هدایت به دما است.

این خواص استثنایی، به همراه پایداری، روش تهیه نسبتاً آسان و ویسکوزیته یا گرانروی قابل قبول باعث شده تا این سیالات به عنوان یکی از مناسب‌ترین و قوی‌ترین انتخاب‌ها در زمینه سیالات خنک کننده مطرح شوند.

بیشترین تحقیقات روی هدایت حرارتی نانوسیالات، در زمینه سیالات حاوی نانوذرات اکسید فلزی انجام شده است یکی از این پژوهش ها افزایش 30 درصدی هدایت حرارتی را با اضافه کردن 3/4 درصد حجمی آلومینا به آب نشان می‌‌‌‌‌‌‌دهد.

البته در یک پژوهش مشابه دیگر، محققان به افزایش 15 درصدی هدایت گرمایی را برای همین نوع نانوسیال با همین درصد حجمی دست یافتند که مشخص شد تفاوت این نتایج ناشی از تفاوت در اندازه نانوذرات به‌کار رفته در این دو تحقیق بوده است.

قطر متوسط ذرات آلومینای بکاررفته در آزمایش اول 13نانومتر و در آزمایش دوم 33 نانومتر بوده است.

خلاصه خواص استثنایی نانوسیالات شامل هدایت حرارتی بیشتر نسبت به سوسپانسیون‌های معمولی، رابطه غیرخطی بین هدایت و غلظت مواد جامد و بستگی شدید هدایت به دما است.

خواص استثنایی، به همراه پایداری، روش تهیه نسبتاً آسان و ویسکوزیته قابل قبول باعث شده تا نانوسیالات به عنوان یکی از مناسب‌ترین و قوی‌ترین انتخاب‌ها در زمینه سیالات خنک کننده مطرح شوند.

مقدار کمی (حدود یک درصد حجمی) از نانوذرات مس یا نانولوله‌های کربنی در اتیلن گلیکول یا روغن به ترتیب افزایش 40 و 150 درصدی در هدایت حرارتی این سیالات ایجاد می‌کند برای اینکه یک جسم ، دیگری را گرم کند تماس واقعی بینشان ضروری نیست.

مثلا خورشید از فاصله دور همه چیز را گرم می‌کند.

گرما به روشهای مختلف ، که هر کدام تحت شرایط مختلفی قابل انجام است، انقال می‌یابد.

تنها وجه مشترک این راههای انتقال ، آزمایشهای مربوط به گرما و تعریف بنیادی گرماست.

به عبارتی در هر کدام از روشهای انتقال آزمایشهای مربوط به گرما ، انتقال انرژی از جسم گرمتر به جسم سردتر صورت می‌گیرد.

برای اینکه یک جسم ، دیگری را گرم کند تماس واقعی بینشان ضروری نیست.

انتقال رسانشی آزمایشهای مربوط به گرما اگر یک انتهای سیخی را به مدت زیادی داخل اجاقی گرم نماییم، انتهای دیگر آن نیز گرم می‌شود.

آزمایش‌های مربوط به گرما از طریق بدنه سیخ ، از انتهای داغ به انتهای سرد منتقل می‌شود.

این روش انتقال آزمایشهای مربوط به گرما ، یا شارش انرژی از طریق ماده را رسانش گرمایی می‌گویند.

فلزات ، بویژه نقره ، مس و آلومینیوم رساناهای خوب آزمایشهای مربوط به گرما و بیشتر غیر فلزات رساناهای ضعیف آزمایشهای مربوط به گرما هستند.

ته مسی ماهی‌تابه آزمایشهای مربوط به گرما را در تمام جهات و بطور یکنواخت در ته ماهی‌‌تابه پخش می‌کند.

دسته ماهی‌تابه از جنس چوب یا پلاستیک است که رساناهای ضعیفی هستند.

وقتی از این مواد برای جلوگیری از رسانش آزمایشهای مربوط به گرما استفاده می‌شود، عایق حرارتی نامیده می‌شوند.

انتقال همرفت آزمایشهای مربوط به گرما آب رسانای بسیار ضعیف گرماست.

اگر یک ظرف آب را زیر شعله اجاق گاز قرار دهید، ممکن است سطح آب به جوش آید، در حالی که ته آب هنوز سرد باشد.

برای اینکه آب بطور یکنواخت گرم شود باید آنرا روی شعله اجاق گاز گذاشت.

در این حالت ، آب در ته ظرف گرم و منبسط می‌شود و چگالی آن کاهش می‌یابد.

در نتیجه آب گرم از ته ظرف بالا می‌آید و آب سرد پایین رفته و به شعله نزدیکتر می‌شود.

این فرآیند را که انتقال همرفت می‌نامند، آنقدر ادامه می‌یابد تا تمامی حجم آب داخل ظرف به نقطه جوش برسد.

انتقال آزمایشهای مربوط به گرما از طریق همرفت فقط تحت شرایط معینی اتفاق می‌افتد.

اولین شرط این است که ماده شاره باشد (مایع یا گاز) تا بخش گرم کننده آن بتواند از میان بخش سردتر بالا برود.

همچنین شاره باید از پایین گرم یا از بالا سرد شود.

در خانه بخاری نزدیک کف اتاق قرار دارد در حالیکه قسمت سردکن یخچال در بالای آن واقع است.

وسایل زیادی برای جلوگیری از انتقال آزمایشهای مربوط به گرما از طریق رسانش وجود دارد.

این وسایل با جلوگیری از جریان هوا مانع انتقال آزمایش‌های مربوط به گرما می‌شوند.

برای همین ، فضاهای میان دیوارهای خانه را با اسفنج پر می‌کنیم، خودمان را با لایه‌های پشمی می‌پوشانیم و کولمنهای مسافرتی را از اسفنج می‌سازیم.

آزمایشها نشان می‌دهد هوا رسانای ضعیفی است و اگر ما بتوانیم آنرا گیر بیاندازیم، می‌توانیم از انتقال همرفتی گرما هم جلوگیری کنیم.

انتقال آزمایشهای مربوط به گرما از طریق تابش آزمایشهای مربوط به گرما از خورشید از طریق یک فضای وسیع خلا و تهی به زمین می‌رسد و این مسیر را بصورت اشعه ، مانند نور ولی نامرئی طی می‌کند.

هر جسم گرم ، حتی انسان از خود اشعه‌هایی گسیل می‌کند.

اجسام سرد این آزمایشهای مربوط به گرما را جذب می‌کنند ، بنابراین مثل همیشه انتقال خالص آزمایشهای مربوط به گرما از جسم گرم به جسم سرد صورت می‌گیرد.

از اینرو ، آزمایش‌های مربوط به گرما همانند نور از طریق تابش و به خط مستقیم منتقل می‌شود.

برای همین ، وقتی در آزمایشهای مربوط به هوا باز مقابل آتش می‌نشینیم، صورت ما از آزمایشهای مربوط به گرما سرخ می‌شود و پشت ما سردتر می‌شود.

کارایی یک جسم در تابش یا جذب آزمایشهای مربوط به گرما به رنگ سطح آن بستگی دارد.

جسم سیاه هر تابشی را به سرعت و با کارایی زیاد جذب می‌کند.

توانایی تابش انرژی گرمایی از سطح بستگی نزدیکی به توانایی جذب انرژی تابشی توسط آن سطح دارد.

جسم سیاه هنگامی که گرم است، یک تابنده عالی است.

به همین دلیل پرده‌های خنک کننده موتورها را همواره رنگ سیاه می‌زنند.

اما جسم سفید نه جذب کننده خوبی است و نه تابشگر خوب است.

به عنوان مثال سطح نقره مانند اغلب فلزات همانند جسم سفید عمل می‌کنند.

برای عایق بندی اتاقکهای زیر شیروانی از یک لایه ورق آلومینیوم نیز استفاده می‌شود.

ورق آلومینیوم از تابش گرمای داخل به خارج در زمستان و از تابش گرمای خارج به داخل در تابستان جلوگیری می‌کند.

سیستم‌های خنک کننده، یکی از مهم‌ترین دغدغه‌های کارخانه‌ها و صنایع و هر جایی است که به نوعی با انتقال گرما روبه‌رو می‌‌‌‌‌‌‌باشد.

مقدار کمی (حدود یک درصد حجمی) از نانوذرات مس یا نانولوله‌های کربنی در اتیلن گلیکول یا روغن به ترتیب افزایش 40 و 150 درصدی در هدایت حرارتی این سیالات ایجاد می‌کند عکس پیدا نشد عکس پیدا نشد