افتح القائمة الرئيسية

الاتصال الحراري

Question book-new.svg
المحتوى هنا ينقصه الاستشهاد بمصادر. يرجى إيراد مصادر موثوق بها. أي معلومات غير موثقة يمكن التشكيك بها وإزالتها. (ديسمبر 2018)
Icon Translate to Arabic.png
هذه المقالة بها ترجمة آلية يجب تحسينها أو إزالتها لأنها تخالف سياسات ويكيبيديا. (أكتوبر 2019)
Commons-emblem-merge.svg
لقد اقترح دمج محتويات هذه المقالة أو الفقرة في المعلومات تحت عنوان مقاومة الاتصال الحراري. (نقاش)

الاتصال الحراري (بالإنجليزية: Thermal contact conductance) هو عبارة عن دراسة توصيل الحرارة بين الأجسام الصلبة. معامل الاتصال الحراري، هو خاصية تدل على القدرة على توصيل الحرارة بين جسمين متصلين، ويطلق على عكس هذه الخاصية مقاومة الاتصال الحراري.

شرحعدل

عند اتصال اثنين من الأجسام الصلبة مثل A و B كما هو موضح في الشكل (1) فإن الحرارة تتدفق من الجسم الأكثر حرارة إلى الأكثر برودة. شريط قياس الحرارة بين الجسمين يدل على اختلاف درجة الحرارة بينهما ويلاحظ وجود انخفاض في درجة حرارة السطحين المتلامسين. هذه الظاهرة تحدث نتيجة مقاومة الاتصال الحراري بين الأسطح المتلامسة. ويمكن تعريف مقاومة الاتصال الحراري أنها النسبة ما بين الانخفاض في درجة الحرارة ومعدل تدفق الحرارة خلال السطح.

وفقًا إلى قانون فورييه (Fourier's law), تم العثور على علاقة تدفق الحرارة بين الأجسام وفقًا لهذه العلاقة:
(q = - KA(dt/dx حيث أنه:

  • q: تدفق الحرارة
  • K: التوصيل الحراري
  • A : المساحة المقطعية
  • dt/dx: التدرج في درجة الحرارة باتجاه التدفق

ومن اعتبارات الحفاظ على الطاقة، وتدفق الحرارة بين الأجسام المتصلة، وجد أن (A) و (B) : (A q = T1-T3/( ∆xA/KaA+1/hcA+∆xB/(kBA) )

الشكل (1) تدفق الحرارة بين اثنين من الأجسام الصلبة المتصلة، وتوزيع درجات الحرارة. ويمكن ملاحظة أن هناك علاقة مباشرة بين تدفق الحرارة في التوصيل الحراري بين الأجسام المتلامسة، ومجال الاتصال، ومقاومة الاتصال الحراري كما تم ذكره سابقًا وهو معكوس التوصيل الحراري.

العوامل المؤثرة في التوصيلعدل

 
الشكل 2. يوضح التفاعل بين سطحين في عملية الاتصال.

1-توسيع التفاعل بين سطحي الاتصال. هناك مبالغة من أجل هذا التوسيع إن تصرف الاتصال ظاهرة معقدة، تتأثر بعوامل كثيرة أثبتت التجارب أن أهمها على النحو التالي:

2-ضغط الاتصال (Contact pressure)

ضغط الاتصال هو العامل الأكثر تأثيرًا على من يتم الاتصال به. كما أن ضغط الاتصال ينمو، وينمو تصرف الاتصال وبالتبعية، فإن مقاومة الاتصال تصبح أصغر. ويعزى هذا إلى حقيقة أن سطح التماس بين الأجسام ينمو كما ينمو ضغط الاتصال.

إن ضغط الاتصال هو العامل الأكثر أهمية، وتتم معظم الدراسات والعلاقات المتبادلة والنماذج الرياضية لقياس تصرف الاتصال بوصفها وظيفة هذا العامل.

ربما في بعض الأحيان مقاومة الاتصال الحراري لأنواع معينة من المواد يتم تصنيعها من قبل السوق المتداول في ظل درجات حرارة مرتفعة لا يمكن تجاهلها، لأن الانخفاض في التوصيل الحراري بينهما لا يكاد يذكر.

3-المواد الصناعية (خلل مصنعي)

إن الأسطح الملساء موجودة حقًا، وباستطاعتنا رؤية عيوبها السطحية تحت المجهر. ونتيجة لذلك، عندما يتم الضغط على جثتين معًا، يتم تنفيذ الاتصال في عدد محدود من النقاط، مفصولة بفجوات كبيرة نسبيًا، وعندما يتم تقليل منطقة الاتصال الفعلي، فإن المقاومة للحرارة تؤدي إلى وجود تدفق. يجوز للغازات أو السوائل سد هذه الثغرات لأنها تؤثر بشكل كبير على تدفق الحرارة المجموعة عبر الواجهة. قدرة التوصيل الحراري للمواد وضغوطها هي الخاصيتين التي تحكم قدرة المواد على كيفية الاتصال الحراري. في حالة عدم وجود مواد خلالية، كالفراغ مثلًا، فإن مقاومة الاتصال تكون كميتها كبيرة جدًا، وتكون عملية التدفق من خلال نقاط الاتصال هي المهيمنة.

الأسطح الخشنة، التموج والتسطيحعدل

يمكن للمرء أن يميز سطحية الأسطح التي شهدت بعض عمليات التشطيب من قبل ثلاث خصائص: خشونة السطح، التموج ومعدل تسطحه ومن بين هذه العوامل خشونة السطح هو الأكثر أهمية، ويشار عادة إليه بوجود قيمة rsm

تشوهات السطحعدل

عندما يتصل جسمين، قد يحدث تشوه للسطح في كل من الجسمين وقد يكون هذا التشوه إما من البلاستيك أو من مرونة المادة، إن هذا يحدث اعتمادًا على خصائص المواد وضغط الاتصال بينها. عندما يخضع السطح لتشوه يتم تخفيض مقاومة الاتصال، حيث يسبب التشوه زيادة نظافة السطح يمكن لوجود جزيئات الغبار، والأحماض، وغير ذلك أن يؤثر أيضًا على تصرف الاتصال به.

قياس تصرف الاتصال الحراريعدل

إن عملية حساب تصرف الاتصال الحراري أمر صعب، بل من المستحيل، نظرًا لصعوبة قياس مجال الاتصال، لهذا عادة يتم نشر نتائج مثل هذه التجارب في كتب الهندسة، وفي مجلات مثل مجلة نقل الحرارة، والمجلة الدولية لانتقال الحرارة والكتلة وغيرها، ولسوء الحظ فإنه لا يوجد قاعدة بيانات مركزية للمعاملات تدل على مقدار الاتصال الحراري، وهذا الوضع يدفع في بعض الأحيان الشركات لاستخدام مواد عفى عليها الزمن، وإيجاد بيانات لا صلة لها بالموضوع، أو عدم اتخاذ تصرف الاتصال الحراي بعين الاعتبار. شركة CoCoE (Contact Conductance Estimator) أسست مشروع لحل هذه المشكلة وقامت بإنشاء قاعدة بيانات مركزية للبيانات بكيفية تصرف الاتصال الحراري من خلال برنامج الكمبيوتر الذي تم استخدامه، وبدأ العمل به في عام 2006.

حدود التوصيل الحراريعدل

في حين أن هناك تصرف محدود في الاتصال الحراري ووجود فراغات في الواجهة، وتموج السطح، وخشونته وما إلى ذلك، هو تصرف محدود وموجود حتى في الواجهات المثالية. إن هذا تصرف، والمعروف باسم حدود التوصيل الحراري، يرجع إلى اختلافات في الخصائص الإلكترونية والذبذبات بين مواد الاتصال. إن هذا تصرف غير عمومًا الكثير من تصرف الاتصال الحرارية، ولكنه يبقى عامل في نظم المواد النانومترية الحجم.

المقاومة الحرارية البينيةعدل

المقاومة الحرارية بينية، التي تعرف أيضًا باسم مقاومة الحدود الحرارية، أو مقاومة كابيتزا، هو مقياس لمقاومة واجهة من التدفق حراري. هذه المقاومة الحرارية تختلف عن مقاومة الاتصال، كما هو موجود حتى في واجهات الكمال بالذرة. نظرًا للاختلافات في الخصائص الإلكترونية والذبذبات في مواد مختلفة، وعندما تكون المواد حاملة للطاقة (الطاقة الصوتية أو الإلكترون، واعتمادًا على المواد) حيث تحاول اجتياز الواجهة افتراضيًا من خلال وجود تدفق مستمر للحرارة، وهذه المقاومة الحرارية البينية تؤدي إلى انقطاع محدود في درجة الحرارة في الواجهة.

العزل الحراريعدل

العزل الحراري هو الحد من انتقال الحرارة بين الأجسام من خلال الاتصال الحراري أو في نطاق النفوذ الإشعاعي. نقل الحرارة هو انتقال الطاقة الحرارية بين الأجسام بسبب اختلاف درجات الحرارة. قد يكون هناك وسيلة لوقف التدفق الحراري عن طريق هندسة العمليات التي تحدث للأجسام، وكذلك الأجسام الساكنة مناسب للتدفق الحراري. تدفق الحرارة هو نتيجة حتمية للاتصال بين أجسام لديهم اختلاف في درجة الحرارة كل منهم. والعزل الحراري يوفر وسيلة للحفاظ على التدرج في درجة الحرارة، من خلال توفير منطقة العزل التي يتم فيها تخفيض تدفق الحرارة أو ينعكس الإشعاع الحراري بدلًا من امتصاصه. في تشييد المباني، يتم تعيين المواد العازلة بقياس القدرة العازلة، قيمة -R-. وفي مجال الهندسة الحرارية لأنظمة العزل للأفران، والمفاعلات، والأفران، والتوصيل الحراري نأخد بعين الاعتبار (K)، كثافة المنتج والحرارة النوعية (C) هي خصائص المنتجات الرئيسية، والتي تؤثر على كفاءة العزل الحراري، مثل acolodet العازلة. الموصلية الحرارية المنخفضة (K) هو مماثل لارتفاع قدرة العازلة (R).

تطبيقاتعدل

1-الملابس

يتم اختيار الملابس للحفاظ على درجة حرارة جسم الإنسان. لتعويض الحرارة العالية المحيطة، ويجب على الملابس من جعل العرق يتبخر (التبريد عن طريق التبخر). عندما يحدث ارتفاع درجات الحرارة بسبب التمارين الجسدية، ويتصاعد العرق من خلال النسيج الجلدي وبسبب حركة التيارات الهوائية التي تبخر العرق فتمتص حرارة الجسم ويحدث التبريد. هناك طبقة من النسيج يعزل قليلًا ويبقي درجات حرارة الجلد أكثر برودة من ذلك.

لمكافحة البرد والرطوبة اخلاء الجلد بينما لا يزال من الضروري عدة طبقات من مواد ذات خواص مختلفة ضرورية لتحقيق هذا الهدف في وقت واحد بينما مطابقة الإنتاج المرء الحرارة الداخلية للخسائر الحرارة التي تحدث. والمفتاح هو طبقات لأغراض مختلفة، مثل فقدان الحرارة يحدث نتيجة للإشعاع، وطاقة الرياح والحرارة في الفضاء وموصل سد. وهذا الأخير هو الأكثر وضوحًا في مجال الأحذية حيث عزل ضد فقدان الحرارة موصل هو أهم.

2-عزل المباني تطبيقات عزل مبنى سكني في اونتاريو، كندا. الحفاظ على درجات حرارة مقبولة في المباني (عن طريق التسخين والتبريد) يستخدم نسبة كبيرة من الاستهلاك العالمي للطاقة. بالتالي تم عزلها بشكل جيد، ومبنى أصبح لديه: كفاءة في استخدام الطاقة، وبالتالي توفير المال للمالك. توفر درجات حرارة أكثر وأصبحت درجات الحرارة موحدة في جميع أنحاء الفراغ، هناك توازن وحفاظ لدرجة الحرارة وتفاوتها على حد سواء عموديًا (بين ارتفاع الكاحل وارتفاع الرأس) ويجب عكسه في المبنى بشكل أفقيًا بين الأسقف الخارجية، والجدران والنوافذ والجدران الداخلية، وبالتالي إنتاج بيئة أكثر راحة للإنسان تكون درجات الحرارة خارجًا شديدة البرودة أو شديدة الحرارة.

توفير المال حيث يتم تقليل الحد الأدنى من النفقات المتكررة مثل معدات التدفئة والتبريد، والعزل هو دائم ولا تتطلب صيانة أو تعديل. وهناك الكثير من أشكال العزل الحراري تقلل الضوضاء والاهتزاز، سواء القادمة من الخارج وعن من غيرها من الغرف داخل مبنى، وبالتالي إنتاج بيئة أكثر راحة. ويمكن تطبيق فكرة العزل للحد من الإشعاع الحراري الوارد في الصيف، وتقليل خسارة الحرارة في فصل الشتاء.

3- في الصناعة إن لم يتم العزل الجيد فإن كمية الطاقة المنفقة ستكون كبيرة جدًا وانخفاضها أو عدم الحفاظ عليها سيؤدي إلى تغير الأجسام المصنعة أو السوائل وهذا سيؤدي إلى زيادة احتياجاتها من الطاقة من هذه عملية الصناعة، وبالتالي فإن التكاليف والآثار البيئية ستزداد.

4-عزل الأنابيب في الأنظمة الميكانيكية

التدفئة والتبريد تعمل على توزيع الحرارة في جميع أنحاء المباني عن طريق الأنابيب أو مجاري الهواء. وعزل هذه الأنابيب باستخدام مواد عازلة يقلل من استهلاك الطاقة في الغرف غير المأهولة، ويمنع من حدوث التكثف على الأنابيب الباردة والمثلجة. كما تستخدم المواد العازلة للأنابيب في انابيب إمدادات المياه للمساعدة على تأخير تجميد أنبوب لفترة أطول

5-العزل في المركبات الفضائية

الانطلاق وإعادة التصنيع تفرض ضغوطًا شديدة الميكانيكية على المركبات الفضائية، وبالتالي فإن قوة العازل مهم للغاية (كما يراها الفشل في مكوك الفضاء كولومبيا بسبب المادة العازلة). إعادة الدخول عبر الغلاف الجوي يولد درجات حرارة عالية جدًا بسبب احتكاك المكوك ضد الهواء بسرعات عالية. فيجب أن تكون العوازل تلبي مطالب الخصائص الفيزيائية وراء هذه الخصائص الحرارية مثبطات نقل. على سبيل المثال يجب أن يكون المكوك معزز بالكربون المخروط مركب والبلاط من الألياف السيليكا

6-العزل في السيارات محركات الاحتراق الداخلي تنتج الكثير من الحرارة خلال دورة احتراقها. وهذا يمكن أن يكون لها تأثير سلبي عندما يصل إلى مختلف المكونات الحساسة من الحرارة مثل البطاريات، وأجهزة الاستشعار والمحركات وكاتب. ونتيجة لذلك، يتم العزل الحراري هو ضروري لمنع الحرارة من الخروج من العادم والوصول إلى هذه المكونات. السيارات عالية الأداء وغالبًا ما تستخدم العزل الحراري كوسيلة لزيادة أداء المحرك.

العوامل المؤثرة على أداء العزلعدل

ويتأثر أداء العزل من قبل العديد من العوامل من أبرزها ما يلي:

  1. الموصلية الحرارية (قيمة "ك" أو "λ")
  2. الابتعاثية السطحية (قيمة "ε")
  3. سمك العازل
  4. الكثافة
  5. محددة السعة الحرارية
  6. سد الحرارية

من المهم أن نلاحظ أن العوامل المؤثرة في الأداء قد تختلف مع مرور الوقت والأعمار المادية أو تغير الظروف البيئية.

المراجععدل

http://en.wikipedia.org/wiki/Thermal_contact_conductance'

Holman, J. P. (1997). Heat Transfer, 8th Edition. McGraw-Hill.

Fletcher, L. S. (November 1988). "Recent Developments in Contact Conductance Heat Transfer". Journal of Heat Transfer.

Madhusudana, C. V.; Ling, F. F. (1995). Thermal Contact Conductance. Springer.

Lambert, M. A.; Fletcher, L. S. (November 1997). "Thermal Contact Conductance of Spherical Rough Metals". Journal of Heat Transfer.

Williamson, M.; Majumdar, A. (November 1992). "Effect of Surface Deformations on Contact Conductance". Journal of Heat Transfer.

Heat Transfer Division (November 1970). "Conduction in Solids - Steady State, Imperfect Metal-to-Metal Surface Contact". General Electrician..

ASTM D 5470 – 06 Standard Test Method for Thermal Transmission Properties of Thermally Conductive Electrical Insulation Materials

روابط خارجيةعدل

DEAD LINK!!!! ------>* Project CoCoE - Free software to estimate TCC مقاومة الاتصال الحرارية