हीट ट्रांसफर

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पृथ्वी के मेंटल में तापीय संवहन का अनुकरण। घटते तापमान के साथ रंग लाल और हरे से नीले तक फैल जाते हैं। एक गर्म, कम घनी निचली सीमा परत गर्म पदार्थ के ढेर को ऊपर की ओर भेजती है, और ऊपर से ठंडा पदार्थ नीचे की ओर बढ़ता है।

हीट ट्रांसफर थर्मल इंजीनियरिंग का एक अनुशासन है जो भौतिक प्रणालियों के बीच थर्मल ऊर्जा (गर्मी) के उत्पादन, उपयोग, रूपांतरण और विनिमय से संबंधित है। ऊष्मा स्थानांतरण को विभिन्न तंत्रों में वर्गीकृत किया जाता है, जैसे थर्मल चालन, संवहन (गर्मी हस्तांतरण), थर्मल विकिरण, और चरण परिवर्तनों द्वारा ऊर्जा का स्थानांतरण। गर्मी हस्तांतरण प्राप्त करने के लिए इंजीनियर विभिन्न रासायनिक प्रजातियों के द्रव्यमान के स्थानांतरण (संवहन के रूप में बड़े पैमाने पर स्थानांतरण), या तो ठंडा या गर्म, पर भी विचार करते हैं। हालाँकि इन तंत्रों की अलग-अलग विशेषताएँ हैं, वे अक्सर एक ही प्रणाली में एक साथ घटित होते हैं।

ऊष्मा चालन, जिसे प्रसार भी कहा जाता है, दो प्रणालियों के बीच की सीमा के माध्यम से कणों (जैसे अणु) या क्वासिपार्टिकल्स (जैसे जाली तरंगें) की गतिज ऊर्जा का प्रत्यक्ष सूक्ष्म आदान-प्रदान है। जब कोई वस्तु किसी अन्य पिंड या उसके परिवेश से भिन्न तापमान पर होती है, तो ऊष्मा प्रवाहित होती है जिससे पिंड और परिवेश एक ही तापमान पर पहुंच जाते हैं, जिस बिंदु पर वे थर्मल संतुलन में होते हैं। इस तरह का सहज ताप स्थानांतरण हमेशा उच्च तापमान वाले क्षेत्र से कम तापमान वाले दूसरे क्षेत्र में होता है, जैसा कि थर्मोडायनामिक्स के दूसरे नियम में वर्णित है।

ऊष्मा संवहन तब होता है जब किसी तरल पदार्थ (गैस या तरल) का थोक प्रवाह तरल पदार्थ के माध्यम से अपनी गर्मी ले जाता है। सभी संवहन प्रक्रियाएं गर्मी को आंशिक रूप से प्रसार द्वारा भी स्थानांतरित करती हैं। तरल पदार्थ का प्रवाह बाहरी प्रक्रियाओं द्वारा, या कभी-कभी (गुरुत्वाकर्षण क्षेत्रों में) उछाल बलों द्वारा मजबूर किया जा सकता है, जब तापीय ऊर्जा तरल पदार्थ का विस्तार करती है (उदाहरण के लिए आग के ढेर में), इस प्रकार इसके स्वयं के स्थानांतरण को प्रभावित करती है। बाद वाली प्रक्रिया को अक्सर प्राकृतिक संवहन कहा जाता है। पूर्व प्रक्रिया को अक्सर मजबूर संवहन कहा जाता है। इस मामले में, पंप, पंखे या अन्य यांत्रिक साधनों का उपयोग करके द्रव को प्रवाहित करने के लिए मजबूर किया जाता है।

थर्मल विकिरण निर्वात या किसी पारदर्शिता (ऑप्टिक्स) ऑप्टिकल माध्यम (ठोस या तरल या गैस) के माध्यम से होता है। यह समान नियमों द्वारा नियंत्रित फोटॉन या विद्युत चुम्बकीय तरंगों के माध्यम से ऊर्जा का स्थानांतरण है।

अवलोकन

See also: Heat transfer physics

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पृथ्वी की लंबी तरंग तापीय पृथ्वी का ऊर्जा बजट#बादलों, वायुमंडल और सतह से बाहर जाने वाली ऊर्जा की तीव्रता।

ताप अंतरण तापमान अंतर के परिणामस्वरूप सामग्रियों (ठोस/तरल/गैस) के बीच आदान-प्रदान की जाने वाली ऊर्जा है। थर्मोडायनामिक मुक्त ऊर्जा वह कार्य की मात्रा है जो एक थर्मोडायनामिक प्रणाली कर सकती है। तापीय धारिता एक थर्मोडायनामिक क्षमता है, जिसे अक्षर H द्वारा निर्दिष्ट किया गया है, जो सिस्टम की आंतरिक ऊर्जा (U) और दबाव (P) और आयतन (V) के उत्पाद का योग है। जूल ऊर्जा, कार्य या ऊष्मा की मात्रा मापने की एक इकाई है।

राज्य के कार्यों के विपरीत, ऊष्मा स्थानांतरण एक प्रक्रिया फ़ंक्शन (या पथ फ़ंक्शन) है; इसलिए, थर्मोडायनामिक प्रक्रिया में स्थानांतरित गर्मी की मात्रा जो थर्मोडायनामिक प्रणाली की थर्मोडायनामिक अवस्था को बदलती है, वह प्रक्रिया कैसे होती है, इस पर निर्भर करती है, न कि केवल प्रक्रिया की प्रारंभिक और अंतिम स्थिति के बीच के शुद्ध अंतर पर।

थर्मोडायनामिक और मैकेनिकल इंजीनियरिंग हीट ट्रांसफर की गणना गर्मी हस्तांतरण गुणांक, गर्मी प्रवाह और गर्मी के प्रवाह के लिए थर्मोडायनामिक ड्राइविंग बल के बीच आनुपातिकता (गणित) के साथ की जाती है। ऊष्मा प्रवाह किसी सतह के माध्यम से ऊष्मा-प्रवाह का एक मात्रात्मक, सदिश प्रतिनिधित्व है। इंजीनियरिंग संदर्भों में, ऊष्मा शब्द को तापीय ऊर्जा के पर्याय के रूप में लिया जाता है। इस प्रयोग की उत्पत्ति निकोलस लियोनार्ड सादी कार्नोट#एक द्रव (कैलोरी) के रूप में ऊष्मा की ऊष्मागतिकी के दूसरे नियम से हुई है जिसे विभिन्न कारणों से स्थानांतरित किया जा सकता है, और यह आम लोगों की भाषा और रोजमर्रा की जिंदगी में भी आम है।

तापीय ऊर्जा (थर्मल चालन#फूरियर का नियम|फूरियर का नियम), यांत्रिक गति (न्यूटोनियन द्रव|तरल पदार्थ के लिए न्यूटन का नियम), और द्रव्यमान स्थानांतरण (फिक के प्रसार के नियम) के लिए परिवहन परिघटना समीकरण समान हैं, और किसी एक से दूसरे में रूपांतरण की भविष्यवाणी को सुविधाजनक बनाने के लिए इन तीन परिवहन प्रक्रियाओं के बीच समानताएं विकसित की गई हैं।

थर्मल इंजीनियरिंग गर्मी हस्तांतरण के उत्पादन, उपयोग, रूपांतरण, भंडारण और विनिमय से संबंधित है। वैसे तो, अर्थव्यवस्था के लगभग हर क्षेत्र में ऊष्मा स्थानांतरण शामिल है। ऊष्मा स्थानांतरण को विभिन्न तंत्रों में वर्गीकृत किया जाता है, जैसे थर्मल चालन, संवहन (गर्मी हस्तांतरण), थर्मल विकिरण, और चरण परिवर्तनों द्वारा ऊर्जा का स्थानांतरण।

तंत्र

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गर्मी हस्तांतरण के चार मूलभूत तरीकों को कैम्प फायर के साथ चित्रित किया गया है

ऊष्मा स्थानांतरण के मूलभूत तरीके हैं:

संवहन

संवहन एक तरल पदार्थ का एक स्थान से दूसरे स्थान तक परिवहन तंत्र है, और यह उस तरल पदार्थ की गति (भौतिकी) और संवेग पर निर्भर करता है।

ऊष्मीय चालन या ऊष्मा चालन

भौतिक संपर्क में रहने वाली वस्तुओं के बीच ऊर्जा का स्थानांतरण। तापीय चालकता किसी पदार्थ का ऊष्मा संचालन करने का गुण है और इसका मूल्यांकन मुख्य रूप से ऊष्मा चालन के संदर्भ में किया जाता है#फूरियर.27s नियम|ऊष्मा संचालन के लिए फूरियर का नियम।

संवहन (गर्मी स्थानांतरण)

द्रव गति के कारण किसी वस्तु और उसके वातावरण के बीच ऊर्जा का स्थानांतरण। औसत तापमान संवहनी ताप हस्तांतरण से संबंधित गुणों के मूल्यांकन के लिए एक संदर्भ है।

ऊष्मीय विकिरण

विद्युत चुम्बकीय विकिरण के उत्सर्जन द्वारा ऊर्जा का स्थानांतरण।

संवहन

पदार्थ को स्थानांतरित करके, ऊर्जा-जिसमें तापीय ऊर्जा भी शामिल है-किसी गर्म या ठंडी वस्तु के भौतिक स्थानांतरण द्वारा एक स्थान से दूसरे स्थान तक ले जाया जाता है। यह एक बोतल में गर्म पानी रखने और बिस्तर को गर्म करने, या बदलती समुद्री धाराओं में हिमखंड के हिलने जितना सरल हो सकता है। एक व्यावहारिक उदाहरण थर्मल हाइड्रोलिक्स है। इसे सूत्र द्वारा वर्णित किया जा सकता है:

$$\phi _{q}=v\rho c_{p}\Delta T$$

कहाँ

• $\phi _{q}$ ऊष्मा प्रवाह (W/m) है²),
• $\rho$ घनत्व (किग्रा/मीटर) है³),
• $c_{p}$ स्थिर दबाव पर ऊष्मा क्षमता है (J/kg·K),
• $\Delta T$ तापमान में अंतर है (K),
• $v$ वेग (एम/एस) है.

चालन

Main article: Thermal conduction

सूक्ष्म पैमाने पर, गर्मी का संचालन तब होता है जब गर्म, तेजी से घूमने वाले या कंपन करने वाले परमाणु और अणु पड़ोसी परमाणुओं और अणुओं के साथ बातचीत करते हैं, जिससे उनकी कुछ ऊर्जा (गर्मी) इन पड़ोसी कणों में स्थानांतरित हो जाती है। दूसरे शब्दों में, जब आसन्न परमाणु एक-दूसरे के विरुद्ध कंपन करते हैं, या जब इलेक्ट्रॉन एक परमाणु से दूसरे परमाणु में जाते हैं, तो ऊष्मा चालन द्वारा स्थानांतरित होती है। चालन किसी ठोस के भीतर या थर्मल संपर्क में ठोस वस्तुओं के बीच गर्मी हस्तांतरण का सबसे महत्वपूर्ण साधन है। तरल पदार्थ-विशेषकर गैसें-कम प्रवाहकीय होते हैं। थर्मल संपर्क चालन संपर्क में ठोस निकायों के बीच गर्मी संचालन का अध्ययन है। कणों की गति के बिना ऊष्मा को एक स्थान से दूसरे स्थान तक स्थानांतरित करने की प्रक्रिया को चालन कहा जाता है, जैसे पानी के ठंडे गिलास पर हाथ रखने पर - गर्मी गर्म त्वचा से ठंडे गिलास में संचालित होती है, लेकिन यदि हाथ कांच से कुछ इंच की दूरी पर रखने पर, थोड़ा चालन घटित होगा क्योंकि हवा ऊष्मा की कुचालक होती है। स्थिर अवस्था चालन चालन का एक आदर्श मॉडल है जो तब होता है जब चालन को चलाने वाला तापमान अंतर स्थिर होता है, ताकि एक समय के बाद, चालन वस्तु में तापमान का स्थानिक वितरण और न बदले (फूरियर का नियम देखें)। स्थिर अवस्था चालन में, एक खंड में प्रवेश करने वाली ऊष्मा की मात्रा बाहर निकलने वाली ऊष्मा की मात्रा के बराबर होती है, क्योंकि तापमान में परिवर्तन (ऊष्मा ऊर्जा का एक माप) शून्य होता है।स्थिर अवस्था चालन का एक उदाहरण ठंडे दिन में गर्म घर की दीवारों के माध्यम से गर्मी का प्रवाह है - घर के अंदर उच्च तापमान बनाए रखा जाता है और, बाहर, तापमान कम रहता है, इसलिए प्रति इकाई समय में गर्मी का स्थानांतरण एक के करीब रहता है। दीवार में इन्सुलेशन द्वारा निर्धारित स्थिर दर और दीवारों में तापमान का स्थानिक वितरण समय के साथ लगभग स्थिर रहेगा।

क्षणिक संचालन (हीट समीकरण देखें) तब होता है जब किसी वस्तु के भीतर का तापमान समय के साथ बदलता है। क्षणिक प्रणालियों का विश्लेषण अधिक जटिल है, और ताप समीकरण के विश्लेषणात्मक समाधान केवल आदर्श मॉडल प्रणालियों के लिए मान्य हैं। व्यावहारिक अनुप्रयोगों की जांच आम तौर पर संख्यात्मक तरीकों, सन्निकटन तकनीकों या अनुभवजन्य अध्ययन का उपयोग करके की जाती है।

संवहन

Main article: Convective heat transfer

तरल पदार्थ का प्रवाह बाहरी प्रक्रियाओं द्वारा, या कभी-कभी (गुरुत्वाकर्षण क्षेत्रों में) उछाल बलों द्वारा मजबूर किया जा सकता है, जब तापीय ऊर्जा तरल पदार्थ का विस्तार करती है (उदाहरण के लिए आग के ढेर में), इस प्रकार इसके स्वयं के स्थानांतरण को प्रभावित करती है। बाद वाली प्रक्रिया को अक्सर प्राकृतिक संवहन कहा जाता है। सभी संवहन प्रक्रियाएं गर्मी को आंशिक रूप से प्रसार द्वारा भी स्थानांतरित करती हैं। संवहन का दूसरा रूप बलपूर्वक संवहन है। इस मामले में पंप, पंखे या अन्य यांत्रिक साधनों का उपयोग करके द्रव को प्रवाहित करने के लिए मजबूर किया जाता है।

संवहन (गर्मी स्थानांतरण), या बस, संवहन, तरल पदार्थों की गति द्वारा गर्मी का एक स्थान से दूसरे स्थान पर स्थानांतरण है, एक प्रक्रिया जो मूल रूप से बड़े पैमाने पर स्थानांतरण के माध्यम से गर्मी का स्थानांतरण है। तरल पदार्थ की थोक गति कई भौतिक स्थितियों में गर्मी हस्तांतरण को बढ़ाती है, जैसे (उदाहरण के लिए) एक ठोस सतह और तरल पदार्थ के बीच। संवहन आमतौर पर तरल पदार्थ और गैसों में गर्मी हस्तांतरण का प्रमुख रूप है। यद्यपि कभी-कभी गर्मी हस्तांतरण की तीसरी विधि के रूप में चर्चा की जाती है, संवहन का उपयोग आमतौर पर तरल पदार्थ (प्रसार) के भीतर गर्मी संचालन के संयुक्त प्रभावों और थोक द्रव प्रवाह स्ट्रीमिंग द्वारा गर्मी हस्तांतरण का वर्णन करने के लिए किया जाता है। द्रव प्रवाह द्वारा परिवहन की प्रक्रिया को संवहन के रूप में जाना जाता है, लेकिन शुद्ध संवहन एक ऐसा शब्द है जो आम तौर पर केवल तरल पदार्थों में बड़े पैमाने पर परिवहन से जुड़ा होता है, जैसे कि नदी में कंकड़ का संवहन। तरल पदार्थों में गर्मी हस्तांतरण के मामले में, जहां तरल पदार्थ में संवहन द्वारा परिवहन हमेशा गर्मी प्रसार (जिसे गर्मी चालन के रूप में भी जाना जाता है) के माध्यम से परिवहन के साथ होता है, गर्मी संवहन की प्रक्रिया को संवहन द्वारा गर्मी परिवहन के योग के रूप में समझा जाता है और प्रसार/संचालन.

मुक्त, या प्राकृतिक, संवहन तब होता है जब थोक द्रव गति (धाराएं और धाराएं) उछाल बलों के कारण होती हैं जो द्रव में तापमान की भिन्नता के कारण घनत्व भिन्नता के परिणामस्वरूप होती हैं। जबरन संवहन एक ऐसा शब्द है जिसका उपयोग तब किया जाता है जब तरल पदार्थ में धाराएं और धाराएं बाहरी माध्यमों - जैसे पंखे, स्टिरर और पंप - द्वारा प्रेरित होती हैं, जिससे कृत्रिम रूप से प्रेरित संवहन धारा बनती है।

संवहन-शीतलन

See also: Nusselt number

संवहन शीतलन को कभी-कभी संवहन ऊष्मा स्थानांतरण के रूप में वर्णित किया जाता है#न्यूटन का शीतलन नियम|न्यूटन का शीतलन नियम:

The rate of heat loss of a body is proportional to the temperature difference between the body and its surroundings.

हालाँकि, परिभाषा के अनुसार, न्यूटन के शीतलन के नियम की वैधता के लिए आवश्यक है कि संवहन से ऊष्मा हानि की दर तापमान अंतर का एक रैखिक कार्य (आनुपातिक) हो जो ऊष्मा स्थानांतरण को संचालित करता है, और संवहन शीतलन में कभी-कभी ऐसा नहीं होता है। सामान्य तौर पर, संवहन तापमान प्रवणता पर रैखिक रूप से निर्भर नहीं होता है, और कुछ मामलों में दृढ़ता से गैर-रैखिक होता है। इन मामलों में, न्यूटन का नियम लागू नहीं होता है।

संवहन बनाम चालन

तरल पदार्थ के एक पिंड में जिसे उसके कंटेनर के नीचे से गर्म किया जाता है, संचालन और संवहन को प्रभुत्व के लिए प्रतिस्पर्धा करने वाला माना जा सकता है। यदि ऊष्मा चालन बहुत अधिक है, तो संवहन द्वारा नीचे की ओर जाने वाले तरल को चालन द्वारा इतनी तेजी से गर्म किया जाता है कि इसकी नीचे की ओर गति इसकी उछाल के कारण रुक जाएगी, जबकि संवहन द्वारा ऊपर की ओर जाने वाले तरल को चालन द्वारा इतनी तेजी से ठंडा किया जाता है कि इसकी ड्राइविंग उछाल कम हो जाएगी। दूसरी ओर, यदि ऊष्मा चालन बहुत कम है, तो एक बड़ा तापमान प्रवणता बन सकती है और संवहन बहुत मजबूत हो सकता है।

रेले नंबर ($\mathrm {Ra}$) ग्राशोफ़ का उत्पाद है ($\mathrm {Gr}$) और प्रांटल ($\mathrm {Pr}$) संख्याएँ। यह एक माप है जो चालन और संवहन की सापेक्ष शक्ति निर्धारित करता है।

$$\mathrm {Ra} =\mathrm {Gr} \cdot \mathrm {Pr} ={\frac {g\Delta \rho L^{3}}{\mu \alpha }}={\frac {g\beta \Delta TL^{3}}{\nu \alpha }}$$

कहाँ

• g गुरुत्वाकर्षण के कारण त्वरण है,
• ρ घनत्व है $\Delta \rho$ निचले और ऊपरी सिरों के बीच घनत्व का अंतर होने के कारण,
• μ गतिशील श्यानता है,
• α तापीय विसरणशीलता है,
• β आयतन तापीय विस्तार है (कभी-कभी अन्यत्र α दर्शाया जाता है),
• T तापमान है,
• ν गतिज श्यानता है, और
• L विशेषता लंबाई है.

रेले संख्या को संवहन द्वारा ऊष्मा स्थानांतरण की दर और संचालन द्वारा ऊष्मा स्थानांतरण की दर के बीच के अनुपात के रूप में समझा जा सकता है; या, समकक्ष, एक संख्यात्मक कारक तक संबंधित समयमान (यानी संवहन समयमान द्वारा विभाजित चालन समयमान) के बीच का अनुपात। इसे इस प्रकार देखा जा सकता है, जहां सभी गणनाएं सिस्टम की ज्यामिति के आधार पर संख्यात्मक कारकों पर निर्भर होती हैं।

संवहन को चलाने वाला उत्प्लावन बल मोटे तौर पर होता है $g\Delta \rho L^{3}$, इसलिए संबंधित दबाव मोटे तौर पर है $g\Delta \rho L$. स्थिर अवस्था में, यह चिपचिपाहट के कारण कतरनी तनाव द्वारा रद्द कर दिया जाता है, और इसलिए लगभग बराबर होता है $\mu V/L=\mu /T_{\text{conv}}$, जहां V संवहन के कारण विशिष्ट द्रव वेग है और $T_{\text{conv}}$ इसके समयमान का क्रम। दूसरी ओर, चालन समयमान, के क्रम का है $T_{\text{cond}}=L^{2}/\alpha$.

संवहन तब होता है जब रेले संख्या 1,000-2,000 से ऊपर होती है।

विकिरण

File:Hot metalwork.jpg

लाल-गर्म लोहे की वस्तु, थर्मल विकिरण के माध्यम से गर्मी को आसपास के वातावरण में स्थानांतरित करती है

विकिरण ऊष्मा स्थानांतरण थर्मल विकिरण, यानी विद्युत चुम्बकीय विकिरण के माध्यम से ऊर्जा का स्थानांतरण है।यह निर्वात या किसी पारदर्शिता (प्रकाशिकी) ऑप्टिकल माध्यम (ठोस या तरल या गैस) में होता है। पदार्थ में परमाणुओं और अणुओं की यादृच्छिक गतिविधियों के कारण, पूर्ण शून्य से ऊपर के तापमान पर सभी वस्तुओं द्वारा थर्मल विकिरण उत्सर्जित होता है। चूँकि ये परमाणु और अणु आवेशित कणों (प्रोटोन और इलेक्ट्रॉनों) से बने होते हैं, उनके आंदोलन के परिणामस्वरूप विद्युत चुम्बकीय विकिरण का उत्सर्जन होता है जो ऊर्जा को दूर ले जाता है। विकिरण आमतौर पर केवल बहुत गर्म वस्तुओं, या बड़े तापमान अंतर वाली वस्तुओं के लिए इंजीनियरिंग अनुप्रयोगों में महत्वपूर्ण है।

जब वस्तुएं और उन्हें अलग करने वाली दूरियां आकार में बड़ी होती हैं और थर्मल विकिरण की तरंग दैर्ध्य की तुलना में, उज्ज्वल ऊर्जा के हस्तांतरण की दर स्टीफन-बोल्ट्ज़मान समीकरण द्वारा सबसे अच्छी तरह वर्णित होती है। निर्वात में किसी वस्तु के लिए, समीकरण है:

$$\phi _{q}=\epsilon \sigma T^{4}.$$

दो वस्तुओं के बीच विकिरण हस्तांतरण के लिए, समीकरण इस प्रकार है: