حاسبة تدفق الحرارة

تدفق الحرارة، الذي يُشار إليه غالبًا بنقل الحرارة، هو العملية التي يتم من خلالها تبادل الطاقة الحرارية بين مواد ذات درجات حرارة مختلفة. يلعب دورًا محوريًا في مختلف المجالات، بما في ذلك الهندسة، وعلوم البيئة، والحياة اليومية، مما يُيسّر فهم وإدارة التحكم في درجة الحرارة والكفاءة الطاقية.

الخلفية التاريخية

يعود تاريخ دراسة تدفق الحرارة إلى القرن الثامن عشر مع تطور علم الديناميكا الحرارية. وضع علماء مثل جوزيف فورييه الأساس للوصف الرياضي لنقل الحرارة، مُقدمًا مفاهيم مثل التوصيل الحراري، التي لا تزال جوهرية في حسابات تدفق الحرارة اليوم.

صيغة الحساب

يتم حساب معدل تدفق الحرارة ( \(Q\) ) بوحدة وحدة حرارية بريطانية في الساعة (Btu/h) باستخدام الصيغة:

\[ Q = \frac{k \cdot A \cdot (T_{hot} - T_{cold})}{d} \]

حيث:

• \(k\) هو التوصيل الحراري للمادة (Btu-in/ft²-°F-h)،
• \(A\) هي المساحة التي تتدفق عبرها الحرارة (ft²)،
• \(T_{hot}\) و \(T_{cold}\) هما درجات حرارة السطوح الساخنة والباردة على التوالي (°F)،
• \(d\) هو سمك المادة (بوصة).

مثال على الحساب

بالنسبة لمادة ذات توصيل حراري قدره 0.5 Btu-in/ft²-°F-h، ومساحة قدرها 10 ft²، ودرجات حرارة 100°F و 50°F للسطوح الساخنة والباردة على التوالي، وسمك 2 بوصة، يكون تدفق الحرارة المحسوب:

\[ Q = \frac{0.5 \cdot 10 \cdot (100 - 50)}{2} = 125 \, \text{Btu/h} \]

أهمية وسيناريوهات الاستخدام

يُعد فهم تدفق الحرارة أمرًا حيويًا لتصميم عزل حراري فعال في المباني، وتحسين العمليات الصناعية، وتطوير أنظمة إدارة حرارية للأجهزة الإلكترونية. كما أنه يُساعد في الدراسات البيئية، مثل فهم تبادل الحرارة بين سطح الأرض والغلاف الجوي.

الأسئلة الشائعة

1. ما الذي يؤثر على تدفق الحرارة بين سطحين؟

   • يتأثر تدفق الحرارة باختلاف درجة الحرارة بين السطحين، والتوصيل الحراري للمادة الواقعة بينهما، ومساحة تبادل الحرارة، وسمك المادة.

2. كيف يمكننا تقليل تدفق الحرارة غير المرغوب فيه؟

   • يمكن تقليل تدفق الحرارة غير المرغوب فيه من خلال تعزيز العزل، واستخدام مواد ذات توصيل حراري منخفض، والحد من اختلافات درجات الحرارة.

3. هل يتدفق الحرارة فقط من الساخن إلى البارد؟

   • نعم، وفقًا للقانون الثاني للديناميكا الحرارية، تتدفق الحرارة بشكل طبيعي من درجة حرارة أعلى إلى درجة حرارة أقل حتى يتم الوصول إلى التوازن الحراري.