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.