كيف تنتقل الحرارة؟

يؤدي أي فرق في درجة الحرارة داخل جسم ما أو بين أجسام أو أنظمة مختلفة إلى انتقال الحرارة، حتى يتحقق التوازن في درجة الحرارة. ومن الممكن أن تتم عملية انتقال الحرارة هذه بثلاث طرق مختلفة:

• عبر التوصيل
• عبر الحمل الحراري
• عبر الإشعاع

في المواقف الفعلية، يحدث انتقال الحرارة بالطرق الثلاثة في آنٍ واحد ولكن بنسب متفاوتة.

يعني التوصيل انتقال الحرارة بالتلامس المباشر بين الجسيمات. ويحدث هذا الأمر بين الأجسام الصلبة أو الطبقات الرقيقة من السوائل أو الغازات. تفقد الذرات المتحركة جزءًا من طاقتها الحركية إلى الذرات المجاورة الأقل حركة.

يعني الحمل الحراري انتقال الحرارة بين السطح الصلب الساخن والمائع (غاز أو سائل) الساكن أو المتحرك المجاور، يعززه امتزاج جزء من المائع بآخر. وقد يحدث في صورة حمل حراري حر، من خلال الحركة الطبيعية في الوسط نتيجة للفرق في الكثافة بسبب الاختلافات في درجة الحرارة. وقد يحدث أيضًا في صورة حمل حراري قسري نتيجة حركة المائع بفعل العوامل الميكانيكية، كالمروحة أو المضخة. ينتج الحمل الحراري القسري مستوى انتقال حرارة أعلى بشكل كبير نتيجة لسرعات الامتزاج الأعلى.

يعني الإشعاع انتقال الحرارة عبر مساحة فارغة. تنبعث الحرارة من كل الأجسام التي تزيد درجة حرارتها عن 0°كلفن من خلال الإشعاع الكهرومغناطيسي في جميع الاتجاهات. عندما تصطدم الأشعة الحرارية بجسم ما، يتم امتصاص بعض الطاقة وتحويلها لزيادة درجة حرارة الجسم. أما الأشعة التي لا يتم امتصاصها، فتمر عبر الجسم أو يقوم بعكسها. في المواقف الفعلية، يكون انتقال الحرارة هو مجموع انتقال الحرارة عبر التوصيل والحمل الحراري والإشعاع في الوقت نفسه.

يُحدد المتوسط اللوغاريتمي لفرق درجة الحرارة بالعلاقة بين الاختلافات في درجة الحرارة عند جانبي التوصيل بالمُبادل الحراري وفق التعبير: