موضوع مقاله: پدیده‌های انتقال | مخاطب: عمومی | لحن: دانشنامه‌ای | ساختار: عنوان، مقدمه، 3 بخش، جمع‌بندی | مقاله: | # پدیده‌های انتقال | مقدمه: در حالیکه آن از موضوعات متفاوتی مانند مکانیک کوانتوم و ترمودینامیک صحبت می‌کند، در عین حال بر مشترکات بین موضوعات صحبت شده هم تأکید دارد. | ## بخش 1: پدیده‌های انتقال | جرم، تکانه، و انتقال حرارت همگی چارچوب ریاضیاتی بسیار مشابهی را در اشتراک دارند. و توازن‌های بین آنها در پدیده‌های انتقال *بیان می‌شوند تا به ارتباطات ریاضیاتی عمیقی که عموماً ابزار بسیار کاربردی در تحلیل یکی از زمینه‌هایی که بطور مستقیم از طریق سایر زمینه‌ها بدست می‌آیند را تأمین می‌کنند برسند. اساس تحلیل در هر سه زیرشاخه جرم، حرارت و انتقال تکانه عموماً در اصل سادهٔ لزوم ثابت ماندن کمیتها بین سیستم و محیط آن (اصل پایستگی انرژی) پیاده‌سازی می‌شوند. البته هر پدیدهٔ متفاوتی که هدایتگر انتقال در هر مورد می‌باشد بطور جداگانه با علم بر اینکه مجموع انتقالات آنها باید برابر صفر باشد مورد بررسی قرار می‌گیرند. برای مثال در مکانیک سیالات، یک کاربرد بسیار رایج تحلیل انتقال برای تعیین مشخصات سرعت یک سیال در حال جریان در یک حجم جامد است. برخی از رایج‌ترین مثال‌های تحلیل انتقال در مهندسی در زمینه‌های فراوری، شیمیایی، زیستی و مکانیک مهندسی مشاهده می‌شوند ولی این موضوع یکی از اجزای اصلی طرح درس در تمامی اصولی که به هر نحوی با مکانیک سیالات ، انتقال حرارت، و انتقال جرم مربوط می‌باشند است. اکنون آن را همانند ترمودینامیک مکانیک و الکترومغناطیس بعنوان قسمتی از اصول مهندسی درنظر می‌گیرند. فراتر از آن از آنها بعنوان بلوک‌های سازنده ای که موجب پیشرفت جهان هستی شدند و عامل موفقیت تمام هستی در روی زمین می‌باشند یاد می‌شود. بهرحال در اینجا دامنه ما محدود به روابط بین پدیده‌های انتقال در سیستهم‌های مصنوعی مهندسی می‌باشد. در علوم فیزیک، شیمی و مهندسی به مکانیزم‌های مختلفی که توسط آنها ذرات یا کمیت‌ها از مکانی به مکانی دیگر انتقال می‌یابند پدیده‌های انتقال گفته می‌شود. سه نوع عمدهٔ پدیده‌های انتقال عبارت‌اند از: انتقال جرم انتقال حرارت انتقال اندازه حرکت (مکانیک سیالات) نگاهی کلی در فیزیک، پدیده‌های انتقال تمامی فرایندهای برگشت‌ناپذیرآماری طبیعت هستند که ناشی از حرکت تصادفی مولکول‌ها می‌باشند که اکثراً در سیالات دیده می‌شوند. هر جنبه از پدیده‌های انتقال ریشه در دو مفهوم اساسی دارد:قوانین نگهداری و معادلات تشکیل دهنده قوانین نگهداری که در زمینه پدیده‌های انتقال به عنوان معادلات پیوستگی، به صورت فرمول نوشته شده‌اند، توضیح می‌دهند که مقدار مورد مطالعه چگونه باید ثابت نگه داشته شود. معادلات تشکیل دهنده توضیح می‌دهند که کمیت مورد سؤال چگونه به محرک‌های مختلف از طریق انتقال پاسخ می‌دهد. نمونه‌های برجسته شامل قانون رسانایی حرارتی فوریه و معادلات ناویر-استوکس هستند که به ترتیب پاسخ شار حرارتی به گرادیان دمایی و رابطه بین شار سیالات و نیروهای اعمالی به سیال را توضیح می‌دهند. این معادلات همچین ارتباط عمیق بین پدیده‌های انتقال و ترمودینامیک را اثبات می‌کنند، رابطه‌هایی که نشان می‌دهند چرا پدیده‌های انتقال برگشت‌ناپذیر هستند. تقریباً تمام پدیده‌های فیزیکی در نهایت شامل سیستم‌هایی هستند که به دنبال کمترین سطح انرژی برای حفظ حداقل انرژی هستند. وقتی آنها به این وضعیت نزدیک می‌شوند، تمایل دارند به تعادل ترمودینامیکی حقیقی دست یابند که در آن نقطه هیچ نیروی محرکی در سیستم وجود ندارد و انتقال متوقف می‌شود. برای مثال در فیزیک حالت جامد، حرکت و برهمکنش الکترون‌ها، حفره‌ها و فوتون‌ها تحت عنوان پدیده‌های انتقال مورد مطالعه قرار می‌گیرند. | ## بخش 2: پدیده‌های انتقال | مثال دیگر در مهندسی پزشکی است، جایی که تنظیم مجدد حرارت، پرفیوژن و سیالات میکرونی تعدادی از موضوعات مورد علاقه و مرتبط با پدیده‌های انتقال هستند. در مهندسی شیمی، پدیده‌های انتقال در طراحی راکتور، آنالیز نتقالات مولکولی یا نفوذی و متالورژی مورد مطالعه قرار می‌گیرد. سرعت خنک کردن یک جامد که گرما را هدایت می‌کند بستگی به این دارد که چه منبع گرمایی به کار برده می‌شود. نیروی جاذبه که به روی قطرات باران تأثیر می‌گذارد، مقاومت یا کشش ناشی از هوای اطراف را خنثی می‌کند. مشترکات در میان پدیده‌ها همچنین نگاه کنید به: ضریب انتقال یک اصل مهم در بررسی انتقال پدیده‌ها، مقیاسی بین این پدیده‌ها است. انتشار برخی از شباهت‌های قابل توجه ای در معادلات حرکت، انرژی و انتقال جرموجود دارد که همگی می‌توانند توسط انتشار منتقل شوند، همان‌طور که در مثال‌های زیر نشان داده شده‌است: جرم: انتشار و پخش بوها در هوا نمونه ای از انتشار جرم است. حرکت: کشش ناشی از افت باران هنگام باریدن در جو نمونه ای از انتشار حرکت است (قطره باران از طریق تنش‌های چسبناک حرکت را به هوای اطراف از دست می‌دهد و کاهش می‌یابد). معادلات انتقال مولکولی قانون نیوتن برای حرکت سیال، قانون فوریه برای گرما و قانون فیک برای جرم بسیار شبیه یکدیگر هستند. +مقایسه پدیده‌های انتشارکمیت انتقال یافتهپدیدهٔ فیزیکیمعادلهتکانهگران روی(قانون نیوتون)انرژیانتقال گرما(قانون فوریه)جرمانتشار مولکولی(قانون فیک) (در زیر تعاریف این فرمولها آورده شده‌است). رابطه متقابل آنساگِر در سیستمهای سیال که از نظر دما ، چگالی ماده و فشار شرح داده میشوند ، مشخص است که اختلاف دما منجر به جریان گرما از قسمتهای گرم تر به قسمتهای سردتر سیستم می شود ؛ به همین ترتیب ، تفاوتهای فشار منجر به جریان ماده از فشار بالا به مناطق کم فشار است (رابطه متقابل). چیزی که قابل توجه است این است که وقتی فشار و دما هر دو تغییر میکنند ، اختلاف دما در فشارثابت میتواند باعث جریان ماده شود(مانند همرفت) و اختلاف فشار در دمای ثابت میتواند باعث جریان گرما شود. به طور شگفت آوری جریان گرما به ازای هر واحد اختلاف فشار و چگالی (ماده) به ازای هر واحد از اختلاف دما برابر است. نظریه توسعه یافته توسط onsager بسیار عمومی تر از این مثال است و قادر به حل بیش از دو نیروی ترمودینامیک است. انتقال تکانه در انتقال مومنتوم(تکانه)، سیال به عنوان یک توزیع پیوسته ماده مورد مطالعه قرار میگیرد. مطالعه انتقال مومنتوم و یا مکانیک سیالات را میتوان به دو شاخه تقسیم کرد: استاتیک سیالات (سیالات در حالت استراحت)، و دینامیک سیالات (سیالات در حال حرکت). هنگامی که سیال در جهت x به موازات سطح جامد جریان می یابد، سیال حرکت جهت دار x دارد و غلظت آن برابر است با υxρ . پس مومنتم(تکانه) از راستای x به راستای z -یعنی از جهت سریع تر حرکت لایه به جهت کند تر آن-انتقال یافته است. معادله برای انتقال مومنتوم برابر با قانون ویسکوزیته است که به صورت زیر نوشته میشود: τzx شار اندازه حرکت در صفحه z و در جهت x. | ## بخش 3: پدیده‌های انتقال | انتقال جرم وقتی یک سیستم حاوی دو یا چند مولفه باشد که غلظت آنها از نقطه ای به نقطه ی دیگر تغییر میکند، یک تمایل طبیعی برای انتقال جرم وجود دارد که اختلاف غلظت درون سیستم را به حداقل میرساند. 228-248.: شار انتشار از غلظت بالاتر به غلظت پایینتر متناسب با گرادیان غلظت ماده و ضریب نفوذ ماده در محیط است. بعضی از آنها عبارت اند از : جرم را میتوان با عمل گرادیان فشار منتقل کرد(نفوذ فشار). این موضوع میتواند با قانون فیک برای یک گونه A در مخلوط دوتایی شامل A و B مقایسه شود: که در آن D ثابت نفوذاست. برخی از مثالها شامل ، گرمایش و خنک سازی جریانهای فرآیند ، تغییرات فاز ، تقطیرها و غیره است. اصل اساسی قانون اول ترمودینامیک است که برای سیستم استاتیک به شرح زیر بیان می شود: تمام فرایندهای مهندسی شامل انتقال انرژی است. برخی از مثالها شامل ، گرمایش و خنک سازی جریانهای فرآیند ، تغییرات فاز ، تقطیرها و غیره است. اصل اساسی قانون اول ترمودینامیک است که برای سیستم استاتیک به شرح زیر بیان می شود: شار خالص انرژی از طریق یک سیستم برابر است با رسانایی در سرعت تغییر دما نسبت به موقعیت. برای سیستم های دیگر که شامل جریان آشفته ، هندسه های پیچیده یا شرایط مرزی دشوار است ، استفاده از یک معادله دیگر آسان تر است: که در آن A سطح است ، : نیروی محرکه دما ، Q جریان حرارتی در واحد زمان و h ضریب انتقال حرارت است. در انتقال گرما ، دو نوع همرفت می تواند رخ دهد: همرفت اجباری می تواند هم در جریان آرام و هم در تلاطم رخ دهد. در وضعیت جریان آرام در لوله های دایره ای ، از چندین عدد بدون بعد مانند عدد نوسلت ، عدد رینولدز و عدد پراندل استفاده می شود. پیچیدگی های انتقال حرارت همرفت آزاد ، استفاده از روابط تجربی حاصل از داده های تجربی را ضروری می کند. انتقال گرما در بسترهای بسته بندی شده ، راکتورهای هسته ای و مبدل های حرارتی تجزیه و تحلیل می شود. در تحقیقات تلاش زیادی برای توسعه مقیاس‌ها در بین این سه فرایند انتقال برای انتقال آشفته اختصاص داده شده‌است به طوری که امکان پیش‌بینی هر یک از دیگر موارد وجود دارد. مقیاس رینولدز فرض می‌کند که همه نفوذپذیری‌های متلاطم برابر است و نفوذ مولکولی حرکت (μ / ρ) و جرم (DAB) در مقایسه با نفوذ آشفتگی ناچیز است. اگرچه بر اساس داده‌های تجربی است، اما محلول با جریان آرام را روی صفحه صاف به درستی برآورد می‌کند. کاربرد آلودگی یکی از صدها کاربرد مطالعه فرایندهای انتقال در علوم و مهندسی، مربوط به درک انتشار و توزیع آلاینده‌ها در محیط زیست است. به‌طور خاص با مدل‌سازی دقیق می‌توان به یک استراتژی برای کاهش آلودگی ناشی از پدیده‌ها دست یافت. | ## جمع‌بندی | مثال‌ها شامل کنترل آلودگی آب سطحی ناشی از رواناب شهری و سیاست‌های مورد نظر برای کاهش مقدار مس سکوهای ترمز خودرو در ایالات متحده هستند.