قانون انتقال الحرارة بالحمل :
قبل عرض القانون ومعادلته الرياضية ( وهو قانون تقريبي ) نقول إن للعلماء في انتقال الحرارة بالحمل كلاماً ذكروا فيه أن الحمل الحراري ( أي انتقال الحرارة في الموائع وهي السوائل والغازات كما مررنا عليه في الباب الثامن ) .
نوعان :
1. حمل طبيعي ( Natural Convention ):
ويحدث دون أن يكون للإنسان فيه نصيب، ضربوا له مثلاً فقالوا إن انتقال الحرارة بالحمل في الصحراء هو أقرب الأمثال إليه. كيف ذلك؟؟؟ قالوا إنه أثناء النهار تسخّن أشعة الشمس رمال الصحراء فتعمل هذه بدورها على تسخين الهواء الملامس لها بشكل طبيعي فتقل كثافته ويرتفع إلى أعلى . ينزل مكانه هواء أبرد منه لأن كثافته أكبر .
وهكذا تستمر التيارات الهوائية في حركتها بين صعود وهبوط حاملة معها الطاقة الحرارية إلى الأعلى اثناء صعودها .
بهذه الوسيلة تفقد الرمال حرارتها إلى الهواء ويخضع فقدان الحرارة للقانون التالي :
المعدل الزمني لفقد الحرارة بالحمل = K ح ( د ـ د. ) 5/ 4 ............ معادلة (12)
حيث K ح = ثابت التوصيل الحراري بالحمل للجسم الفاقد للحرارة .
د = درجة حرارة الجسم .
د. = درجة حرارة الهواء أو السائل المحيط بالجسم .
في يوم صيف تحدث الأنواع الثلاثة من الانتقال الحراري على اليابسة ( انظر شكل (50)).
هذا ويجب أن يلاحظ الدارس إن انتقال الحرارة بالحمل في الموائع مُسببة دوماً سطح ساخن مصدر للحرارة أو سطح بارد ممتص لها ، على أن يكون هذا السطح ملامساً للمائع الناقل للحرارة .
2. حمل قسري ( جبري ) Forced Convection :
وفيه تتحرك دقائق المائع الناقل للحرارة حركة قسرية كأن تحركها تيارات قسرية تولدها أجهزة صناعية تعمل على إيجاد فرق في الضغط بين منطقتين في المائع . تعمل حركة المائع القسرية على نقل الحرارة أينما ذهبت كما في النوع الأول ، ولكن بطبيعة قسرية .
من الأمثلة على هذا النوع من الحمل جهاز تدفئة داخله مروحة ( Fan ) تعمل على دفع الهواء الساخن الذي ينشئه جهاز التدفئة إلى محلات بعيدة عنه .
بعد هذا التصنيف لأنواع الحمل يحق للدارس أن يسأل : هلا ذكرت لنا العوامل التي يعتمد عليها انتقال الحرارة بالحمل ؟
في جوابنا على السؤال نقول إنهم وجدوا في دراسات تمت على الموائع أن الطاقة ( الحرارة ) المنقولة فيها تعتمد على ثلاثة عوامل :
الأول :
الفرق في درجة الحرارة Dد بين السطح المنشيء للطاقة الحرارية والمائع الملامس له ، ويكون التناسب طردياً .
مساحة السطح (أ) الملامس للمائع .
الثاني :
وجدوا أن التناسب مع هذا العامل تناسباً طردياً أيضاً ، وهذا على ما نظن بديهي .
الثالث :
زمن انتقال الحرارة ويكون التناسب طردياً ( بالبداهة أيضاً ) .
ارتكازاً على هذه الثلاثة مجتمعة قالوا بأن :
معدل الطاقة الحرارية المنقولة بالحمل ط ح = K ح × أ × D د × ز
أو إن شئت : f = K ح أ D د ..................... معادلة (13) .
K ح يسمون معامل انتقال الحرارة بالحمل بين السطح والمائع .
إن معادلة (13) فيها الكثير من التبسيط بسبب ترك عوامل فيزيائية كثيرة ومؤثرة ؛ منها :
أ. الخصائص الفيزيائية للمائع مثل كثافته ولزوجته وحرارته النوعية .
ب. نوع حركة المائع هل هي إنسيابية ( Laminar Flow ) أم مضطربة ( Turbulent Flow) .
ج. الشكل الهندسي للسطح الملامس للمائع وهل هو خشن أو أملس
وفي كل الأحوال يمكن عرض أمثلة حتى نفهم أكثر معنى المعادلة كما يبين المثال التالي :
مثال : سطح مساحته 75 م2 ودرجة حرارته 45 ْ س (مئوية )، ومعدل درجة حرارة الهواء فوقه 23 ْ س . إذا كان متوسط معامل انتقال الحرارة بالحمل بين السطح والهواء 10 واط / م2 . كلفن ، احسب المعدل الزمني لانتقال الحرارة بالحمل بينهما .
الحل : لدينا أ = 75 م2 .
D د = 45 ْ س ـ 23 ْ س = 22 ْ س . = 22 كلفن .
K ح = 10 واط / م2 . كلفن .
بالتعويض في المعادلة f = Kح أ Dد ينتج أنّ :
أو إن شئت 16.5 كيلو جول لكل ثانية .
