همرفت گرمایی انتقال انرژی همراه با حرکت توده‌ای یک سیال، یعنی مایع یا گاز، است. در همرفت طبیعی، گرم‌شدن می‌تواند چگالی بخشی از سیال را کم کند؛ نیروی شناوری آن بخش را بالا می‌برد و سیال سردتر جای آن را می‌گیرد. در همرفت واداشته، وسیله‌ای مانند فن یا پمپ جریان را ایجاد می‌کند. پس برای تشخیص همرفت، فقط به وجود اختلاف دما نگاه نکن: باید جابه‌جایی ماکروسکوپی سیال نیز وجود داشته باشد.
همرفت گرمایی را از حرکت توده سیال بشناس
در رسانش، انرژی میان ذرات و حامل‌های انرژی منتقل می‌شود، بی‌آنکه توده ماده مسیر بزرگی را طی کند. در همرفت، خود سیال حرکت می‌کند و انرژی درونی را از ناحیه‌ای به ناحیه دیگر می‌برد. به همین دلیل همرفت فقط در شاره‌ها، یعنی مایع‌ها و گازها، رخ می‌دهد و برای توصیف انتقال گرما در یک جامد ساکن از این واژه استفاده نمی‌کنیم.
در یک قابلمه که از پایین گرم می‌شود، کف ظرف ابتدا انرژی را با رسانش به آب مجاور می‌دهد. سپس حرکت آب، انرژی را در حجم مایع پخش می‌کند. بنابراین یک پدیده واقعی می‌تواند بیش از یک سازوکار داشته باشد؛ نام سازوکار را برای همان مرحله و مرزی انتخاب کن که سؤال درباره آن می‌پرسد.
- رسانش: انتقال انرژی بدون حرکت توده‌ای ماده
- همرفت: انتقال انرژی همراه حرکت مایع یا گاز
- تابش: انتقال انرژی با موج الکترومغناطیسی و بدون نیاز به محیط مادی
جریان همرفتی طبیعی را با چگالی و شناوری توضیح بده
اگر بخشی از یک سیال بر اثر گرم‌شدن منبسط شود، در بسیاری از وضعیت‌های معمول چگالی آن از سیال سرد پیرامون کمتر می‌شود. در میدان گرانش، اختلاف چگالی سبب نیروی شناوری خالص می‌شود: بخش کم‌چگال‌تر بالا می‌رود و سیال سردتر و چگال‌تر پایین می‌آید. ادامه گرم‌شدن و سردشدن می‌تواند یک گردش همرفتی بسازد.
عبارت کوتاه «گرما بالا می‌رود» دقیق نیست؛ انرژی جهت هندسی ثابت ندارد. آنچه بالا می‌رود توده سیال کم‌چگال‌تر در حضور گرانش است و انرژی را با خود حمل می‌کند. اگر سیال نتواند حرکت کند، گرانش مؤثر نباشد یا چیدمان پایدار باشد، صرف اختلاف دما تشکیل یک جریان طبیعی نیرومند را تضمین نمی‌کند.
قاعده «سیال گرم‌تر کم‌چگال‌تر است» را نیز بدون توجه به داده‌ها مطلق نکن. رفتار چگالی ماده و بازه دما مهم است؛ در مسئله دبیرستانی معمولاً انبساط عادی سیال فرض می‌شود، مگر آنکه صورت سؤال رفتار ویژه‌ای مانند انبساط غیرعادی آب را مطرح کند.
همرفت طبیعی و واداشته را از عامل حرکت جدا کن
در همرفت طبیعی، اختلاف دما به اختلاف چگالی می‌انجامد و شناوری جریان را راه می‌اندازد؛ گردش آب در ظرفی که از پایین گرم می‌شود نمونه متداول آن است. در همرفت واداشته، یک عامل بیرونی مانند فن، پمپ یا دمنده سیال را حرکت می‌دهد. فنِ خنک‌کننده رایانه و گردش آب به کمک پمپ مثال‌هایی از حالت واداشته‌اند.
وجود فن به این معنی نیست که رسانش حذف شده است. انرژی ابتدا ممکن است درون قطعه جامد رسانش کند، در مرز جامد و سیال مبادله شود و سپس با جریان سیال دور شود. در تست مفهومی، عامل ایجاد حرکت را پیدا کن: شناوری پاسخ «طبیعی» و فن یا پمپ پاسخ «واداشته» است.
- حرکت ناشی از اختلاف چگالی و شناوری: همرفت طبیعی
- حرکت ناشی از فن یا پمپ: همرفت واداشته
- حرکت سیال وجود ندارد: همرفت، سازوکار اصلی آن مرحله نیست
مثال حل‌شده: توان گرمایی حمل‌شده با جریان آب
آب با دبی جرمی ṁ = 0.020 kg/s از یک گرم‌کن عبور می‌کند و دمایش از 20 °C به 35 °C می‌رسد. گرمای ویژه آب را c = 4200 J/(kg·K) بگیر و اتلاف را ناچیز فرض کن. آهنگ انرژی‌ای را که جریان آب با خود حمل می‌کند به دست آور.
هر کیلوگرم آب به اندازه cΔT انرژی می‌گیرد و در هر ثانیه ṁ کیلوگرم عبور می‌کند؛ پس P = ṁcΔT. اختلاف دما 15 K است و داریم P = 0.020×4200×15 = 1260 W. بنابراین جریان آب در حالت پایا 1.26 kJ انرژی در هر ثانیه حمل می‌کند.
کنترل واحد: kg/s در J/(kg·K) و K ضرب می‌شود و J/s یا W می‌دهد. این رابطه تراز انرژی جریان را حساب می‌کند؛ سرعت شکل‌گیری همرفت طبیعی یا جزئیات تبادل در سطح گرم‌کن را به‌تنهایی تعیین نمی‌کند. اگر دبی، گرمای ویژه یا افزایش دما بیشتر شود، توان حمل‌شده نیز در همین مدل بیشتر است.
اثر گرم‌کردن از پایین و بالا را پیش‌بینی کن
وقتی سیالی با انبساط عادی از پایین گرم شود، لایه پایین کم‌چگال‌تر می‌شود و زیر لایه چگال‌تر قرار می‌گیرد؛ این آرایش مستعد گردش طبیعی است. اما اگر همان سیال از بالا گرم شود، سیال گرم‌تر و سبک‌تر از ابتدا بالاست و سیال سردتر و سنگین‌تر پایین می‌ماند. این چیدمان پایدارتر است و همرفت طبیعی ضعیف‌تر می‌شود؛ در آن وضعیت رسانش می‌تواند سهم مهم‌تری داشته باشد.
همین منطق جای رادیاتور و دریچه را توضیح می‌دهد، اما برای تحلیل تست لازم نیست داستان حفظ کنی. ابتدا محل گرم و سرد، سپس تغییر چگالی و در پایان جهت نیروی شناوری را روی شکل بنویس. اگر فن یا پمپ وجود دارد، جهت جریان تحمیلی را بر گردش طبیعی مقدم بدان و داده‌های مسئله را دنبال کن.
با چک‌لیست، سازوکار انتقال گرما را اشتباه نگیر
ابتدا مرز مورد بررسی را مشخص کن؛ ممکن است در یک سامانه، رسانش در دیواره، همرفت در هوا و تابش میان دو سطح هم‌زمان رخ دهند. سپس ببین ماده سیال است و آیا حرکت توده‌ای دارد. بعد عامل حرکت را تعیین کن و در پایان جهت خالص انتقال انرژی را از دمای بیشتر به کمتر کنترل کن.
برای ادامه مسیر، راهنمای رسانش گرمایی رابطه انتقال در میله و دیواره را توضیح می‌دهد؛ مقاله تابش گرمایی انتقال با موج الکترومغناطیسی را پوشش می‌دهد و راهنمای ظرفیت گرمایی نشان می‌دهد چرا دو جریان با جرم یا جنس متفاوت برای یک تغییر دما انرژی یکسانی حمل نمی‌کنند.
- مرز و مرحله مورد سؤال مشخص شده است؟
- محیط جامد است یا سیال؟
- آیا توده سیال واقعاً حرکت می‌کند؟
- عامل حرکت شناوری است یا فن و پمپ؟
- جهت انتقال خالص انرژی با اختلاف دما سازگار است؟
- در محاسبه P = ṁcΔT، دبی جرمی و واحدها درست‌اند؟
برای تشخیص همرفت، سه سؤال بپرس: محیط مایع یا گاز است؟ آیا توده سیال حرکت می‌کند؟ این حرکت از شناوری ناشی از اختلاف چگالی می‌آید یا فن و پمپ آن را تحمیل می‌کند؟ پاسخ‌ها به‌ترتیب وجود همرفت و طبیعی یا واداشته‌بودن آن را روشن می‌کنند. گرما همچنان در جهت خالص از ناحیه گرم‌تر به سردتر منتقل می‌شود، اما خود جریان می‌تواند یک حلقه بسازد. در محاسبه حمل انرژی نیز دبی جرمی را با P = ṁcΔT به توان گرمایی تبدیل کن و جهت، یکا و فرض حالت پایا را کنترل کن.