संवहन (गर्मी हस्तांतरण)

This article is about the method of heat transfer. For fluid flow driven by heterogeneous fluid properties and body forces, see Convection.

पृथ्वी के मेंटल में तापीय संवहन का अनुकरण। गर्म क्षेत्रों को लाल रंग में दिखाया गया है, ठंडे क्षेत्रों को नीले रंग में दिखाया गया है। तल पर एक गर्म, कम-घना पदार्थ ऊपर की ओर बढ़ता है, और इसी तरह, ऊपर से ठंडा पदार्थ नीचे की ओर बढ़ता है।

संवहन (या संवहनी गर्मी हस्तांतरण) द्रव की गति के कारण एक स्थान से दूसरे स्थान पर गर्मी हस्तांतरण है। हालांकि अक्सर गर्मी हस्तांतरण की एक अलग विधि के रूप में चर्चा की जाती है, संवहनी गर्मी हस्तांतरण में चालन (गर्मी) (गर्मी प्रसार) और संवहन (थोक द्रव प्रवाह द्वारा गर्मी हस्तांतरण) की संयुक्त प्रक्रियाएं शामिल होती हैं। संवहन आमतौर पर तरल और गैस में गर्मी हस्तांतरण का प्रमुख रूप है।

ध्यान दें कि संवहन की यह परिभाषा केवल हीट ट्रांसफर और थर्मोडायनामिक्स संदर्भों में लागू होती है। इसे संवहन # शब्दावली की द्रव गतिकी घटना के साथ भ्रमित नहीं होना चाहिए, जिसे आमतौर पर थर्मोडायनामिक संदर्भों में 'प्राकृतिक संवहन' के रूप में संदर्भित किया जाता है ताकि दोनों को अलग किया जा सके।

अवलोकन

उत्प्लावन बलों (उदाहरण के लिए, एक ऑटोमोबाइल इंजन में एक पानी पंप) के अलावा अन्य माध्यमों से तरल पदार्थ की गति से संवहन को मजबूर किया जा सकता है। तरल पदार्थों का थर्मल विस्तार भी संवहन को मजबूर कर सकता है। अन्य मामलों में, द्रव को गर्म करने पर केवल प्राकृतिक उत्प्लावन बल ही द्रव गति के लिए पूरी तरह से जिम्मेदार होते हैं, और इस प्रक्रिया को प्राकृतिक संवहन कहा जाता है। एक उदाहरण चिमनी में या किसी आग के आसपास का मसौदा है। प्राकृतिक संवहन में, तापमान में वृद्धि से घनत्व में कमी आती है, जो बदले में दबाव और बलों के कारण द्रव गति का कारण बनता है जब विभिन्न घनत्व के तरल पदार्थ गुरुत्वाकर्षण (या किसी जी-बल) से प्रभावित होते हैं। उदाहरण के लिए, जब पानी को चूल्हे पर गर्म किया जाता है, तो कड़ाही के नीचे से गर्म पानी ठंडे सघन तरल द्वारा विस्थापित (या ऊपर की ओर) हो जाता है, जो गिरता है। हीटिंग बंद होने के बाद, इस प्राकृतिक संवहन से मिश्रण और चालन के परिणामस्वरूप अंततः लगभग सजातीय घनत्व और यहां तक ​​​​कि तापमान भी होता है। गुरुत्वाकर्षण की उपस्थिति के बिना (या ऐसी स्थितियां जो किसी भी प्रकार के जी-बल का कारण बनती हैं), प्राकृतिक संवहन नहीं होता है, और केवल मजबूर-संवहन मोड संचालित होते हैं।

संवहन गर्मी हस्तांतरण मोड में एक तंत्र शामिल है। विशिष्ट आणविक गति (प्रसार) के कारण ऊर्जा हस्तांतरण के अलावा, ऊर्जा थोक, या मैक्रोस्कोपिक, द्रव की गति से स्थानांतरित होती है। यह गति इस तथ्य से जुड़ी है कि, किसी भी पल, बड़ी संख्या में अणु सामूहिक रूप से या समुच्चय के रूप में आगे बढ़ रहे हैं। तापमान प्रवणता की उपस्थिति में इस तरह की गति, गर्मी हस्तांतरण में योगदान करती है। क्योंकि कुल मिलाकर अणु अपनी यादृच्छिक गति को बनाए रखते हैं, कुल गर्मी हस्तांतरण तब अणुओं की यादृच्छिक गति और तरल पदार्थ की थोक गति द्वारा ऊर्जा परिवहन के सुपरपोजिशन के कारण होता है। इस संचयी परिवहन का जिक्र करते समय संवहन शब्द का उपयोग करने के लिए प्रथागत है और थोक द्रव गति के कारण परिवहन का जिक्र करते समय शब्द संवहन।

प्रकार

यह रंग श्लीरेन फोटोग्राफी मानव हाथ (सिल्हूट रूप में) से आसपास के स्थिर विनिमय तक थर्मल संवहन को प्रकट करता है।

दो प्रकार के संवहनी गर्मी हस्तांतरण को प्रतिष्ठित किया जा सकता है:

• प्राकृतिक संवहन: जब द्रव गति उछाल बलों के कारण होती है जो द्रव में थर्मल ± तापमान की भिन्नता के कारण घनत्व भिन्नता के परिणामस्वरूप होती है। आंतरिक स्रोत की अनुपस्थिति में, जब द्रव गर्म सतह के संपर्क में होता है, तो उसके अणु अलग हो जाते हैं और बिखर जाते हैं, जिससे द्रव कम घना हो जाता है। परिणामस्वरूप, द्रव विस्थापित हो जाता है जबकि ठंडा द्रव सघन हो जाता है और द्रव डूब जाता है। इस प्रकार, गर्म आयतन ऊष्मा को उस द्रव के ठंडे आयतन की ओर स्थानांतरित करता है। आग या गर्म वस्तु के कारण हवा का ऊपर की ओर प्रवाह और नीचे से गर्म किए गए बर्तन में पानी का संचलन परिचित उदाहरण हैं।
• जबरन संवहन: जब एक तरल पदार्थ को सतह पर प्रवाहित करने के लिए एक आंतरिक स्रोत जैसे पंखे, हिलाने और पंप करने से कृत्रिम रूप से प्रेरित संवहन धारा का निर्माण होता है।

कई वास्तविक जीवन अनुप्रयोगों में (उदाहरण के लिए सौर केंद्रीय रिसीवर या फोटोवोल्टिक पैनलों के ठंडा होने पर गर्मी की कमी), प्राकृतिक और मजबूर संवहन एक ही समय (मिश्रित संवहन) में होते हैं। आंतरिक और बाहरी प्रवाह भी संवहन को वर्गीकृत कर सकते हैं। आंतरिक प्रवाह तब होता है जब एक तरल पदार्थ एक ठोस सीमा से घिरा होता है जैसे कि एक पाइप से बहते समय। एक बाहरी प्रवाह तब होता है जब कोई द्रव ठोस सतह का सामना किए बिना अनिश्चित काल तक फैलता है। इन दोनों प्रकार के संवहन, या तो प्राकृतिक या मजबूर, आंतरिक या बाहरी हो सकते हैं क्योंकि वे एक दूसरे से स्वतंत्र होते हैं। थोक तापमान, या औसत द्रव तापमान, संवहनी गर्मी हस्तांतरण से संबंधित गुणों के मूल्यांकन के लिए एक सुविधाजनक संदर्भ बिंदु है, विशेष रूप से पाइप और नलिकाओं में प्रवाह से संबंधित अनुप्रयोगों में।

ठोस सतहों की चिकनाई और उतार-चढ़ाव के आधार पर आगे का वर्गीकरण किया जा सकता है। सभी सतहें चिकनी नहीं होती हैं, हालांकि उपलब्ध सूचनाओं का एक बड़ा हिस्सा चिकनी सतहों से संबंधित होता है। लहरदार अनियमित सतहें आमतौर पर गर्मी हस्तांतरण उपकरणों में पाई जाती हैं जिनमें सौर कलेक्टर, पुनर्योजी ताप विनिमायक और भूमिगत ऊर्जा भंडारण प्रणाली शामिल हैं। इन अनुप्रयोगों में गर्मी हस्तांतरण प्रक्रियाओं में उनकी महत्वपूर्ण भूमिका होती है। चूंकि वे सतहों में उतार-चढ़ाव के कारण एक अतिरिक्त जटिलता लाते हैं, इसलिए उन्हें सुरुचिपूर्ण सरलीकरण तकनीकों के माध्यम से गणितीय चालाकी से निपटने की आवश्यकता है। इसके अलावा, वे प्रवाह और गर्मी हस्तांतरण विशेषताओं को प्रभावित करते हैं, जिससे सीधी चिकनी सतहों से अलग व्यवहार होता है। प्राकृतिक संवहन के एक दृश्य अनुभव के लिए, ठंडे, साफ पानी के साथ एक मछली टैंक के अंदर गर्म पानी और कुछ लाल खाद्य डाई से भरा गिलास रखा जा सकता है। लाल तरल की संवहन धाराएं अलग-अलग क्षेत्रों में बढ़ती और गिरती देखी जा सकती हैं, फिर अंत में बस जाती हैं, इस प्रक्रिया को दर्शाती हैं क्योंकि गर्मी के ग्रेडियेंट समाप्त हो जाते हैं।

न्यूटन के शीतलन का नियम

Main article: Newton's law of cooling

संवहन-शीतलन को कभी-कभी शिथिल रूप से न्यूटन के शीतलन के नियम द्वारा वर्णित माना जाता है। न्यूटन के नियम में कहा गया है कि किसी पिंड की गर्मी के नुकसान की दर हवा के प्रभाव में शरीर और उसके आसपास के तापमान में अंतर के समानुपाती होती है। आनुपातिकता का स्थिरांक ऊष्मा अंतरण गुणांक है। कानून तब लागू होता है जब वस्तु और पर्यावरण के बीच तापमान अंतर का गुणांक स्वतंत्र या अपेक्षाकृत स्वतंत्र होता है।

शास्त्रीय प्राकृतिक संवहनी गर्मी हस्तांतरण में, गर्मी हस्तांतरण गुणांक तापमान पर निर्भर होता है। हालांकि, न्यूटन का नियम अनुमानित वास्तविकता तब करता है जब तापमान में परिवर्तन अपेक्षाकृत छोटा होता है, और मजबूर हवा और पंप किए गए तरल शीतलन के लिए, जहां बढ़ते तापमान अंतर के साथ द्रव वेग नहीं बढ़ता है।

संवहनी गर्मी हस्तांतरण

संवहन द्वारा ऊष्मा अंतरण के लिए मूल संबंध है:

${\dot {Q}}=hA(T-T_{f})$

कहाँ पे ${\dot {Q}}$ प्रति इकाई समय में स्थानांतरित गर्मी है, ए वस्तु का क्षेत्र है, एच गर्मी हस्तांतरण गुणांक है, टी वस्तु की सतह का तापमान है, और टी_fद्रव तापमान है। संवहन ऊष्मा अंतरण गुणांक द्रव के भौतिक गुणों और भौतिक स्थिति पर निर्भर करता है। आमतौर पर सामना किए जाने वाले तरल पदार्थ और प्रवाह स्थितियों के लिए एच के मूल्यों को मापा और सारणीबद्ध किया गया है।

यह भी देखें

• संयुग्मित संवहन गर्मी हस्तांतरण
• संवहन
• जबरन संवहन
• प्राकृतिक संवहन
• मिश्रित संवहन
• गर्मी हस्तांतरण गुणांक
• हीट ट्रांसफर एन्हांसमेंट
• हेइस्लर चार्ट
• ऊष्मीय चालकता
• संवहन-प्रसार समीकरण