انتقال حرارت يا گرما

حرارت از ناحيه‌اي گرم‌تر به ناحيه‌اي كه دمای کمتری دارد انتقال مي‌يابد و اهميتي هم ندارد كه اختلاف دما چه اندازه باشد. سه روش براي انتقال حرارت وجود دارد:

هدایت (رسانش)

جابجايي (همرفت)

تشعشع (تابش)

 

هدايت (رسانش)

ممكن است انتقال حرارت به صورت هدايت در جامدات، مايعات يا گازها اتفاق بيفتد. اما اين امر در جامدات بهتر قابل درك است. در هدايت حرارت، انرژي حرارتي از مولکولی به مولکول ديگر انتقال مي‌يابد و مانند سطل آبي كه دست به دست و به صورت زنجيروار بين افراد رد و بدل مي‌شود. در زنجیره‌ی مذكور افراد حركت كوتاهي جهت دادن آب به يكديگر انجام مي‌دهند و فقط اين سطل آب است كه پيش مي‌رود.

ولي در هدايت حرارت، مولکول‌ها در اطراف محل خود نوسان مي‌نمايند و انرژي حرارتي را توسط تصادف با مولكول‌هاي مجاور خود پيش می‌برند.

رسانندگي حرارتي در بين اجسام متفاوت است. بيشتر فلزات به راحتی هادي حرارت هستند و به همين جهت در رديف هادي‌هاي خوب طبقه‌بندي شده‌اند. به لحاظ متفاوت بودن رسانندگي حرارتي، توانايي هدايت حرارت در بين فلزات نيز متغير است. بهترين فلزات هادي حرارت، نقره و مس مي‌باشند و قدرت جريان حرارتي آلومينيوم تقريبًا نصف نقره و آهن ۸/۱ مي‌باشد. غير فلزات، هادي‌هاي ضعيفي هستند و تمام مايعات (به جز جيوه كه از جمله فلزات مي‌باشد) و گازها، هادي‌هاي ضعيف حرارتي هستند.

در حقيقت بعضي از اجسام، مايعات و گازها به جهت اين‌كه هادي‌هاي ضعيفي هستند، عايق‌هاي حرارتي ناميده مي‌شوند. به طور كلي اجسام هادي برق، هادي‌هاي خوبي براي حرارت هستند و برعكس هادي‌هاي ضعيف حرارتي، هادي‌هاي خوبی برای الکتریسیته نيستند.

توانايي انتقال حرارت اجسام را مي‌توان به صورت تجربي اندازه‌گيري كرد كه به عنوان (قدرت و توانايي حرارتي) شناخته شده‌اند.

(معمولا با K نشان داده می‌شوند).

جريان حرارت براساس ژول در ثانيه اندازه‌گيري مي‌شود و اين واحد را وات (W) مي‌نامند. رسانندگي حرارتي در سيستم بين المللي (SI) به وات بر متر در سانتی‌گراد اندازه‌گيري مي‌شود (W/MK).

اطلاع از رسانندگي حرارتي در موقع آتش‌سوزي در جلوگيري از توسعه‌ی آتش، بسيار مهم است. تير حمال آهني در ميان ديواري كه عايق حرارت نيست، سبب انتشار آتش‌سوزي مي‌شود؛ زيرا حرارت توسط آن هدايت مي شود. به همين صورت در آهني ساده نيز كه از يك سمت درمعرض حرارت قرار دارد به سرعت حرارت را به طرف ديگر هدايت مي‌كند‌.

در صورتي كه درب چوبي (با این وجود كه ممكن است دود آتش بگيرد). ولي عملا يك مانع مؤثر درمقابل هدايت حرارت است؛ زيرا چوب هادي ضعيفي است. قدرت جريان حرارت در مصالح ساختماني عامل مهمي در ايجاد مقاومت ساختمان در برابر آتش‌سوزي است.

جابجايي يا همرفت

جابجايي حرارت فقط در مايعات وگازها رخ مي‌دهد. وقتي مايع يا گازي حرارت داده مي‌شود، منسبط شده و از غلظت آن كاسته خواهد شد.

يعني مايع يا گاز سيال سبك‌تر كه گرم شده، بالا مي‌آيد تا جايگزين سيال غليظ‌تر شود. بنابراين جاي مايع يا گاز سيال غليظ‌تر را می‌گیرد.

تكرار پي در پي اين جابجايي موجب مي‌شود يك جريان دوراني در گاز يا مايع ايجاد شود. جابجايي حرارتي توسط حركت واقعي مولكول‌ها در تمامي حجم گاز يا مايع انجام می‌شود تا زماني كه به يك درجه‌ی حرارت يكنواخت برسد.

جابجايي حرارت در سيستم حرارتي آب گرم خانگي (شوفاژ) مورد استفاده قرار مي‌گيرد و نيز در بيشتر سيستم‌هاي حرارتي كه از رادياتور استفاده مي‌نمايند. يعني غالب حرارت از اين رادياتورها از طريق جابجايي به خارج از آن انتقال مي‌يابد. جابجايي همچنين باعث بالا رفتن دود در دودكش‌ها می‌شود.

به هنگام آتش‌سوزي در يك ساختمان، جريان جابجايي مي‌تواند گازهاي گرم توليد شده توسط احتراق را از طريق راه پله به بالا انتقال دهد و يا آتش را توسط كانال آسانسورها به سمت طبقات فوقاني گسترش دهد و به اين ترتيب جرياني از هواي سرد به طور متوالي به طرف آتش حركت مي‌كند و جايگزين گازهاي برخاسته از آن مي شود وكمك به توسعه يافتن آتش‌سوزي مي‌نمايد.

 

شرکت مادکو با بیش از ۱۰ سال سابقه در حوزه‌ی آلاینده‌سنجی، آماده است تا با مراکز، صنایع و کارخانجات گوناگون در این راستا همکاری نماید. به منظور کسب اطلاعات بیشتر می‌توانید به صفحه‌ی اختصاصی مادکو در این زمینه مراجعه فرمایید.

تشعشع يا تابش

حرارت همچنين ممكن است درخط مستقيم توسط روشي كه نه هدايت است و نه جابجايي، انتقال يابد. حرارت خورشيد از فضاي خالي مي‌گذرد تا زمين را گرم كند. گرماي بخاري برقي كه در جاي بلندي از اتاق گذاشته شده‌است، در زير آن احساس مي‌شود؛ در صورتي كه نه هدايت و نه جابجايي قادر به انجام اين عمل نيستند.

اين طريق انتقال حرارت را انتقال از طريق تشعشع مي‌گويند و هيچ تماسي بين اجسام وجود ندارد و مستقل از هر ماده‌ی موجود در فضا است.

اين مسئله ناشي از حركت امواج الكترومغناطيس است كه شامل موج با طول بين ١٥٠٠ و ٣٠٠٠ متر است. موج كوتاه (تقریبا ۱۵ متر)، رادار (تا چند سانتی متر) است. همه‌ی این‌ها وقتي توسط جسمي جذب شود ايجاد حرارت مي‌کند و اين حرارت بستگي به مقدار انرژي دارد كه آن جسم جذب می‌کند.

انرژي تابشي كه از خورشيد منتقل مي‌شود معمولا به صورت دسته‌اي از طول موج‌ها به نام روشنايي است؛ چرا كه توسط شبكيه‌ی چشم ديده مي‌شوند. اما اجسامي كه روشنايي منتشر نمي‌كنند ممكن است گرما را به صورت امواج مادون قرمز منتشر نمايند. اين اجسام داراي طول موج بيشتر از طول موج‌های حد فاصل ۱۰ به نمای ۲- و ۱۰ به نمای ۴-  سانتی‌متر هستند.

تمام اشکال انتشار انرژي درخطوط مستقيم در مسافت ۳ در ۱۰ به نمای ۸ متر بر ثانیه حرکت مي‌كند كه اين همان سرعت نور است و شدت آن به طور معكوس مربع مسافت از منبع انتشار نور است. اين موضوع به اين معني است كه در مسافت دو برابر، شدت نور ۴/۱ در مسافت سه برابر، شدت نور ۹/۱ و الی آخر است.

مربعي با ابعاد يك متر با فاصله‌ی ٢ متر از منبع نور، سايه‌اي به ابعاد دو متر روي صفحه‌اي كه در ٤ متري آن قرار دارد خواهد انداخت. بنابراين انرژي در يك متر مربع برابر است با انرژي كه درسطحي از ۴=۲*۲ متر مربع و در فاصله اي برابر ٤ متر قرار دارد. لذا انرژي درهر متر مربع و در فاصله‌ی ٤ متري برابر است با ۴/۱ انرژی كه در ٢ متري آن است؛ يعني ۴/۱ در دو برابر مسافت. اين امر وقتي كه اثر تشعشع از يك منبع حرارتي مثل آتش‌سوزي را در نظر بگيريم مهم جلوه مي‌كند. وقتي انرژي (البته شامل انتشار مادون قرمز نيز شود) روي جسمي انتشار مي يابد سه حالت اتفاق می‌افتد:

الف) انتقال:

انتقال يعني انرژي كه بدون گرم كردن جسمي از آن بگذرد. بنابراين اثر جسم نسبت به انرژي، شفاف و انتقال دهنده است.

ب) جذب:

انرژي كه توسط جسمي جذب شده باشد، درجه حرارتش زياد مي‌شود.

انعكاس

انرژي ممكن است از سطحي انعكاس يابد. مثلا: انعكاس نور.

بعضي عناصر نشان دهنده‌ی پدیده‌ی جذب انتخابی هستند؛ يعني آ‌ن‌ها به قسمتي از فرم انتشار انرژي‌ها اجازه‌ی عبور مي‌دهند و نه به تمامي آن‌ها؛ مثلا شيشه اجازه عبور نور را مي‌دهد ولي مادون قرمز را جذب مي‌كند. بنابراين شيشه ممكن است چون يك پرده (جدا کننده) آتش مورد استفاده قرار گيرد؛ يعني حرارت از آن نمي‌گذرد ولي آتش از آن ديده مي‌شود (قصد بر اين نيست كه اين چنين استنباط شود كه شيشه ارزش زیادی در تحمل آتش دارد؛ بلكه در اين مورد بايد عوامل زيادي را مورد نظر قرار داد).

دي‌اكسيدكربن و بخار آب نيز از اين خاصيت برخوردارند؛ بنابراين انتشار انرژي خورشيد (بیشتر درشكل نور) از جو گذشته و به زمين مي‌رسد و آن‌را گرم مي كند؛ درصورتي كه انتشار مادون قرمز تشكيل‌شده در زمين توسط جو جذب شده و از بازگشت سريع به فضا باز مي‌ماند.

عناصر ديگري مثل PITCH اجازه عبور انتشار مادون قرمز را می‌دهند ولي نور را جذب می‌کنند.

چگونگي سطح يك جسم در توانايي جذب يا انعكاس انتشار حرارت اثر دارد. رنگ سفيد و يا سطوح صيقلي فلزات بهترين منعكس كننده‌ها هستند. در صورتي كه سطوح مات و سياه انعكاس دهنده‌های خوبي نیستند. يعني منعکس‌کننده‌های خوب، جذ‌‌ب كننده‌هاي بدي هستند و بالعكس. به همين منظور در آب و هواي گرم از لباس‌های سفيد استفاده می‌شود. خانه‌ها با رنگ‌هاي سفيد نقاشي مي‌شوند و ماشين‌ها و غيره نيز از همين رنگ استفاده مي‌كنند.

برف و يخ نيز كه سفید هستند، منعکس‌کننده‌های خوب و جذب‌کننده‌های ضعيفي هستند و به كندي توسط نور آفتاب ذوب مي‌شوند؛ مگر زماني كه محيط اطراف به قدر كافي گرم شده و حرارت توسط هدايت يا جابجايي باعث ذوب شدن سريع آن‌ها شود.

آزمايش انجام داده‌شده نشان داده‌است كه اگر زغال يا پودر سياه روي برف پاشيده‌شود، باعث تسریع در ذوب برف خواهد شد؛ زيرا گرماي خورشيد جذب شده در آن زيادتر خواهد بود.

شناخت عوامل انتقال حرارت

١- افقي

٢- عمودي

٣- تركيبي

سه سازوکار اصلي انتقال حرارت، هدايت، جابجايي و تابش كه هر سه در آتش‌سوزي ساختمان‌ها نقش دارند در فصل قبلي مورد تجزيه و تحليل قرار گرفتند. دراين فصل به چگونگي انتقال حرارت توسط سازوکار‌های ياد شده می‌پردازیم. برای درك بهتر مسئله ابتدا رشد حريق در يك محيط بسته را بررسي می‌نماییم.

رفتار و سرعت حريق در فضاهاي بسته و فضاهاي باز با هم متفاوت است. در فضاهاي بسته وجود سقف در بالاي آتش نقش مستقیم در افزایش گرماي تابش بر روي سطح مواد سوختي داشته و وجود ديوارها اين اثر را تشديد مي‌كند (مشروط بر اين كه هواي كافي در دسترس باشد).

بازرسی فنی تنها یکی از حوزه‌هایی است که مادکو توانسته‌است در آن موفق عمل کند. شما می‌توانید در صورت تمایل به کسب اطلاعات بیشتر در ارتباط با فعالیت‌‌های مادکو در زمینه‌ی بازرسی فنی، به صفحه‌ی اختصاصی مادکو مراجعه فرمایید.

در صورتي كه در يك فضاي بسته مقدار كافي مواد سوختي و اكسيژن موجود باشد، آتش پس از شروع، اين مراحل را طي می‎نماید: يك دوره رشد، مرحله پايدار و سپس يك دوره سرد شدن. رسم تغييرات دماي آتش برحسب زمان از لحظه شروع افروزش را به دست می‌دهد. هر چند اين منحني، بسته به شرايط موجود تغییر «منحني رشد حريق» مي‌نمايد با در نظر گرفتن نتايج اين تغييرات براي كارشناسان آتش‌نشانی بسيار مفيد است.

زمان رشد حريق از لحظه‌ی افروزش تا زماني كه كليه‌ی مواد قابل احتراق درون محيط بسته مشتعل می‌شوند، در نظر گرفته می‌شود. ابتدا بخارات حاصل از سوخت در نزديكي سطحي كه متصاعد شده‌اند مي‌سوزند و در اين فاصله به طور عادي مقدار هواي دسترس بيش از مقدار مورد نياز است. در اين زمان عامل كنترل كننده سرعت احتراق، مساحت سطح ماده سوختي است. تداوم دوره‌ی رشد به عوامل متعددي بستگي دارد و دو حالت برای آن پيش مي‌آید:

حالت اول: آتش و محصولات آتش نتوانند از اتاق خارج شوند.

حالت دوم: آتش و محصولات آن از راه‌های مختلف به خارج از اتاق سرايت نموده و باعث گسترش آتش سوزي و سرايت آتش به ديگر نقاط ساختمان می‌شود.

حالت سوم: در صورت ادامه‌ی احتراق درمحيط بسته، لحظه‌ی بحراني زماني فرا مي‌رسد كه شعله‌های آتش به سقف برسند. با گسترش آتش به سطح زير سقف، مساحتي كه دچار آتش‌سوزي شده‌است به مقدار زيادي افزايش مي‌يا‌بد. در نتيجه تابش حرارت به طرف سطح مواد قابل احتراق به طور محسوسي افزايش می‌یابد و باقي‌مانده‌ی مواد سوختي به سرعت به دماي اشتعال خود رسيده و ظرف چند ثانيه مشتعل  می‌شوند كه در فصل اول توضيح داده‌شد.

حالت چهارم: حرارت و دود، دو محصول خطرناك آتش هستند. خسارات ناشي از دود در يك ساختمان ممكن است جدي باشد اما به ندرت بتواند باعث ريزش ساختمان يا خرابي كلي شود؛ در حالي كه حرارت می‌تواند ساختمان را به كلي ويران سازد.

مقدار گرماي آزاد شده در يك حريق، معياري از شدت حريق است و اين گرماي آزاد شده مي‌تواند از مسيرهاي افقي شامل جاري شدن مايعات قابل اشتعال، انتقال حرارت به روش تشعشعي، انتقال حرارت به روش هدايت از طريق ديوار مجاور، انتقال حرارت در اثر انفجار ناشي از احتراق يا ازدياد فشار و كانال كولر و ديگر موارد و همچنين از مسيرهاي عمودي شامل راهروها و راه پله‌ها، كانال آسانسور و كانال كولر، پنچره‌ها، روزنه‌ها و منافذ، سقف كاذب، كانال تهويه و کابل‌های برق، جاري شدن مايعات قابل اشتعال به طبقات زيرين، ريزش سقف، انتقال حرارت به روش جابجايي و در اثر انفجارات با آثار عمودي گسترش يابد و معمولا در آتش‌سوزی‌ها تركيبي از آن‌ها وجود دارد.

 

نویسنده محتوا:

محسن اسدیان