موضوع مقاله: همرفت طبیعی | مخاطب: عمومی | لحن: دانشنامه‌ای | ساختار: عنوان، مقدمه، 3 بخش، جمع‌بندی | مقاله: | # همرفت طبیعی | مقدمه: همرفت طبیعی در بیشتر موارد منجر به «گردش طبیعی»، توانایی گردش مایع در سامانه به‌طور مداوم، با گرانش و تغییرات احتمالی در انرژی گرمایی، می‌شود. | ## بخش 1: همرفت طبیعی | برای نمونه اگر یک لایه هوای متراکم سرد در بالای هوای گرمتر و کم‌تراکم‌تر وجود داشته باشد، گرانش با شدت بیشتری لایه متراکم بالای را می‌کشد و بنابراین هوای سرد و متراکم پایین می‌آید و هوای گرم‌تر و سبک جای آن را می‌گیرد. از آن‌جایی که هم‌رفت به نیروی جاذبه متکی است، در محیط‌های سقوط آزاد (لخت)، همانند ایستگاه بین‌المللی فضایی که در مدار زمین است، هم‌رفت وجود ندارد. همرفت طبیعی می‌تواند زمانی اتفاق بیفتد که در آب یا هوا بخش‌های گرم و سردی وجود داشته باشد، زیرا هم آب و هم هوا با گرم شدن چگال‌تر می‌شوند. این پدیده در اقیانوس‌ها نیز به دلیل سنگین‌تر بودن آب شور از آب شیرین رخ می‌دهد و لایه‌ای از آب شور واقع در بالای لایه آب تازه‌تر و شیرین‌تر نیز باعث همرفت می‌شود. همرفت طبیعی به دلیل وجود در طبیعت و همچنین در کاربردهای مهندسی، مورد توجه بسیاری از پژوهشگران قرار گرفته‌است. ویژگی اصلی همه سامانه‌های آب‌وهوایی سلول‌های همرفتی طبیعی است که از بالا آمدن هوا در بالای زمین یا آب گرم‌شده توسط نور خورشید تشکیل می‌شوند. همرفت هم‌چنین در ستون هوای گرمی دیده می‌شود که از آتش، صفحات زمین، جریان‌های اقیانوسی (گردش دماشوری) و تشکیل بادهای دریایی (که همرفت رو به بالا توسط اثر کوریولیس نیز ایجاد می‌شود) پدید می‌آیند. در کاربردهای مهندسی، همرفت معمولاً در تشکیل ریزساخت‌ها هنگام خنک‌سازی فلزات مذاب، مایعات در اطراف باله‌های پراکنده گرما و حوضچه‌های خورشیدی کاربری می‌یابد. یک کاربرد صنعتی بسیار متداول همرفت طبیعی در خنک‌سازی هوای آزاد و بدون کمک فن است: این پدیده می‌تواند در مقیاس‌های کوچک (تراشه‌های رایانه) تا تجهیزات پردازشی در مقیاس بزرگ اتفاق بیفتد. دمای بخشی خارجی جسم در نتیجه انتقال حرارت با هوای سرد کاهش می یابد و دمای هوای مجاور جسم افزایش می یابد. در نتیجه، این جسم با یک لایه نازک از هوای گرم‌تر احاطه شده است و گرما از این لایه به لایه‌های خارجی هوا منتقل می‌شود. توجه داشته باشید که در صورت عدم وجود این حرکت، انتقال حرارت فقط با هدایت صورت می‌گیرد و سرعت آن بسیار کمتر خواهد بود. مثال‌ها یکی از متداول‌ترین نمونه های همرفت طبیعی، پدیده‌های نسیم دریا و خشکی است. این عدد بدون بعد توسط فرمول زیر به دست می‌آید: که در آن: تفاوت چگالی بین دو بسته از مواد مخلوط شده است شتاب جاذبه محلی است مقیاس مشخصه طول همرفت است: به عنوان مثال عمق یک ظرف در حال جوش نفوذ مشخصه ای است که باعث همرفت می‌شود، و ویسکوزیته پویا است. همرفت طبیعی با تغییر بیشتر در چگالی بین دو سیال، شتاب بیشتر به دلیل گرانشی که همرفت را به حرکت در می آورد و یا با فاصله بیشتر از طریق محیط همرفت، احتمالش بیشتر و یا سریعتر خواهد بود. همرفت با انتشار سریع‌تر (در نتیجه پخش شدن شیب ایجاد کننده همرفت) و یا سیال ویسکوزتر (چسبنده) احتمالش و یا سرعت آن کم‌تر خواهد بود. | ## بخش 2: همرفت طبیعی | برای همرفت حرارتی ناشی از گرم شدن از پایین، همان‌طور که در ظرف جوش بالا شرح داده شده، معادله برای انبساط حرارتی و نفوذ حرارتی اصلاح شده است. تغییرات چگالی ناشی از انبساط حرارتی این‌گونه است: که در آن: چگالی مرجع است ، به طور معمول چگالی متوسط انتخاب می شود. قرار دادن این تعویض ها یک عدد ریلی تولید می کند که می تواند برای پیش بینی همرفت حرارتی استفاده شود: تلاطم گرایش یک سیستم خاصیت همرفت طبیعی به سمت تلاطم به تعداد Grashof (Gr) بستگی دارد: در مایعات بسیار ویسکوز و چسبناک (ν بزرگ)، حرکت مایعات محدود می‌شود و همرفت طبیعی غیر متلاطم خواهد بود. به دنبال رفتار زیرمجموعه قبلی، سرعت مایعات معمولی بسته به هندسه سیستم تا یک عامل عددی بدین صورت است: بنابراین، می‌توان عدد Grashof را به عنوان عدد رینولدز با سرعت همرفت طبیعی جایگزین سرعت در فرمول عدد رینولدز دانست. اما در عمل، هنگام مراجعه به عدد رینولدز، قابل درک است که فرد در نظر گرفتن همرفت اجباری است و سرعت به عنوان سرعت دیکته شده توسط محدودیت‌های خارجی در نظر گرفته می‌شود. رفتار عدد Grashof را می‌توان برای همرفت طبیعی که به دلیل گرادیان غلظت و گاهی اوقات اصطلاحاً هم‌رفت حرارتی- حلال اتفاق می‌افتد، فرموله کرد. دقیقاً به همان روشی که جوهر ریخته شده در یک ظرف آب پخش می‌شود تا کل فضا را رنگ کند. سپس: همرفت طبیعی به هندسه سطح گرم بسیار وابسته است و برای تعیین ضریب انتقال حرارت، هم‌بستگی‌های مختلفی وجود دارد. شکل‌گیری الگو شکل‌گیری الگو همرفت، به ویژه همرفت ریلی-بنارد، جایی که سیال همرفت توسط دو صفحه افقی سفت و سخت وجود دارد، یک مثال مناسب از یک سیستم شکل دهنده الگو است. هنگامی که گرما از یک جهت (معمولاً در زیر) به سیستم وارد می‌شود، در مقادیر کم، صرفاً از پایین به سمت بالا پخش می‌شود(هدایت می‌شود)، بدون این‌که جریان سیال ایجاد شود. با افزایش جریان گرما‌، بالاتر از مقدار حیاتی عدد ریلی، سیستم از حالت رسانای پایدار به حالت همرفت، جایی که حرکت عمده مایعات در اثر گرما آغاز می‌شود، دچار انشعاب می‌شود. اگر پارامترهای سیال غیر از چگالی به میزان قابل توجهی به دما وابسته نباشند، پروفیل جریان متقارن است و همان حجم سیال سقوط افزایش می‌یابد. همان‌طور که اختلاف دما بین بالا و پایین سیال بیشتر می‌شود، اختلافات قابل توجهی در پارامترهای سیال غیر از چگالی ممکن است به دلیل دما در سیال ایجاد شود. مثالی از این پارامترها گرانروی است، که ممکن است به طور افقی در لایه‌های مایع تغییر کند. این امر تقارن سیستم را می‌شکند و به طور کلی الگوی سیال در حال حرکت به سمت بالا و پایین را از نوارها به شش ضلعی تغییر می‌دهد، همان‌طور که در سمت راست دیده می شود. همان‌طور که تعداد ریلی حتی بیش‌تر از مقدار جایی که سلول‌های همرفت برای اولین بار ظاهر می‌شوند افزایش می‌یابد، سیستم ممکن است دچار انشعابات دیگری شود و الگوهای پیچیده دیگری مانند مارپیچ نیز شروع به ظاهر شدن کند. | ## بخش 3: همرفت طبیعی | همرفت گوشته نتیجه گرادیان حرارتی است: گوشته تحتانی گرمتر از گوشته بالایی است و بنابراین چگالی کم‌تری دارد. در نوع اول، ستون‌ها از گوشته تحتانی برخاسته و مناطق ناپایدار مربوط به لیتوسفر به داخل گوشته می‌ریزند. در نوع دوم، صفحات فرورانش اقیانوسی (که تا حد زیادی لایه مرزی حرارتی فوقانی گوشته را تشکیل می‌دهند) دوباره به داخل گوشته فرو رفته و به طرف مرز هسته گوشته به سمت پایین حرکت می‌کنند. همرفت گوشته با نرخ سانتی متر در سال اتفاق می‌افتد و تکمیل یک چرخه هم‌رفت به صدها میلیون سال زمان نیاز دارد. اندازه گیری شار نوترینو از هسته زمین نشان می دهد که منبع حدود دو سوم گرما در هسته داخلی، پوسیدگی رادیواکتیو 40K، اورانیوم و توریم است. این امر باعث شده‌است که زمین ساختی صفحات روی زمین بسیار طولانی‌تر از آن‌چه که اگر به سادگی توسط گرمای باقی‌مانده از شکل‌گیری زمین هدایت شود، ادامه یابد. یا با گرمای تولید شده از انرژی پتانسیل گرانشی، در نتیجه بازآرایی فیزیکی قسمت‌های متراکم داخلی زمین به سمت مرکز سیاره (به عنوان مثال، نوعی سقوط و استقرار طولانی مدت). همرفت آب در دمای انجماد آب مایعی است که از تقریب بوسینسک (شناوری) پیروی نمی‌کند. دلیل این امر این است که چگالی آن با درجه حرارت غیر خطی متفاوت است، که باعث می‌شود ضریب انبساط حرارتی آن در نزدیکی دمای انجماد ناسازگار باشد. بین دو دیواره عمودی، جایی که دیواره‌های چپ و راست به ترتیب در 10 درجه سانتی‌گراد و 0 درجه سانتی‌گراد نگه داشته می‌شوند، به طور متفاوت گرم می‌شود. با خنک شدن آب در دیواره سمت راست‌، چگالی افزایش می‌یابد که باعث تسریع جریان به سمت پایین می‌شود. با رشد جریان و خنک شدن بیش‌تر آب ، کاهش چگالی باعث ایجاد جریان گردش مجدد در گوشه پایین سمت راست حفره می‌شود. مورد دیگر این پدیده رویداد خنک سازی فوق‌العاده است، جایی که آب به دمای زیر انجماد خنک می‌شود اما بلافاصله شروع به یخ زدن نمی‌کند. این باعث می شود که آب موجود در آن دیواره فوق‌العاده سرد شود، جریان خلاف جهت عقربه‌های ساعت ایجاد شده و در ابتدا جریان گرم را تحت فشار قرار دهد. | ## جمع‌بندی | هنگامی که یخ شروع به تشکیل می‌کند، جریان به الگویی مشابه قبل برمی‌گردد و انجماد به تدریج گسترش می‌یابد تا زمانی که جریان دوباره توسعه یابد.