ऊष्मा अन्तरण

किसी अधिक गर्म पिण्ड से किसी अधिक ठंडे पिंड में ऊष्मा के पारगमन को ऊष्मा अन्तरण (हीट ट्रान्सफर) कहते हैं।
जब किसी वस्तु का तापमान उसके परिवेश या अन्य वस्तु की अपेक्षा भिन्न होता है तो ताप ऊर्जा का संचार जिसे ताप का बहाव या ताप का विनिमय भी कहते हैं, इस तरह से होता है कि वह वस्तु और उसका परिवेश ऊष्म-साम्यता ग्रहण कर लेते हैं; इसका मतलब है कि दोनों का तापमान समान हो जाता है। ऊष्मप्रवैगिकी के द्वितीय नियम या क्लॉज़ियस के कथन के अनुसार ऊष्मा का संचार हमेशा अधिक गर्म वस्तु से अधिक ठंडी वस्तु की ओर होता है। जहां कहीं भी पास-पास स्थित वस्तुओं में तापमान की भिन्नता होती है, उनके बीच ऊष्मा के संचार को कभी रोका नहीं जा सकता; इसे केवल कम किया जा सकता है।

विकिरण

ताप ऊर्जा के किसी रिक्त स्थान में संचार को विकिरण कहते है। परम शून्य के ऊपर के तापमान वाली सभी वस्तुएं उनकी प्रवाहकता गुणा यदि वे कोई काले रंग की वस्तु हों तो उनमें से ऊर्जा के विकिरित होने की दर के बराबर ऊर्जा का विकिरण करती हैं। विकिरण के लिये किसी माध्यम की जरूरत नहीं है क्यौंकि इसका संचार विद्युतचुम्बकीय तरंगों द्वारा होता है; विकिरण पूर्ण निर्वात में भी कार्य करता है। सूर्य की ऊर्जा पृथ्वी को गर्म करने के पहले अंतरिक्ष के निर्वात में से गुजरती है।
सभी पिंडों की परावर्तकता और प्रवाहकता दोनो ही तरंगदैर्घ्य पर निर्भर करती हैं। प्लैंक्स लॉ ऑफ ब्लैक-बॉडी रेडियेशन के अनुसार तापमान तीव्रता की सीमा तक विद्युतचुम्बकीय विकिरण के तरंगदैर्ध्य के वितरण को निश्चित करता है। किसी भी पिंड के लिये परावर्तकता भीतर आ रहे विद्युतचुम्बकीय विकिरण के तरंगदैर्घ्य के वितरण और इसलिये विकिरण के स्रोत के तापमान पर निर्भर करती है। प्रवाहकता तरंगदैर्घ्य के वितरण पर और इसलिये पिंड के तापमान पर निर्भर करती है। उदा.ताज़ी बर्फ जो दिखाई देन् वाले प्रकाश के लिये उच्च परावर्ती होती है (लगभग 0.90 परावर्तकता), करीब 0.5 माइक्रोमीटर के शीर्ष ऊर्जा तरंगदैर्घ्य वाले सूर्यप्रकाश को परावर्तित करने के कारण सफेद दिखती है। परंतु करीब -5 °C तापमान और 12 माइक्रोमीटर के शीर्ष ऊर्जा तरंगदैर्घ्य पर उसकी प्रवाहकता 0.99 होती है।
गैसें तरंगदैर्घ्य के विशिष्ट प्रतिमानों में, जो हर गैस के लिये भिन्न होते हैं, ऊर्जा का अवशोषण और उत्सर्जन करती हैं।
दिखने वाला प्रकाश विद्युतचुम्बकीय विकिरण का एक और प्रकार है जो इन्फ्रारेड विकिरण की अपेक्षा कम तरंगदैर्घ्य (और इसलिये अधिक आवृति) वाला होता है। दिखने वाले प्रकाश और परम्परागत तापमानों की वस्तुओं से होने वाले विकिरण में आवृति और तरंगदैर्घ्य में करीब 20 के गुणक की भिन्नता होती है; दोनो प्रकार के उत्सर्जन केवल विद्युतचुम्बकीय विकिरण के विभिन्न "रंग" होते है।

वस्त्र और भवनों की सतहें तथा विकिरित संचार

हल्के रंग और सफेद वस्तुएं तथा धात्विक पदार्थ रोशनी वाले प्रकाश का अवशोषण कम करते हैं और इसलिये कम गर्म होते हैं, लेकिन अन्यथा रोजमर्रा के तापमानों पर किसी वस्तु और उसके परिवेश के बीच ताप संचार पर रंग का कोई विशेष प्रभाव नहीं होता है, क्यौंकि प्रबल उत्सर्जित तरंगदैर्घ्य दिखने वाले वर्णक्रम के पास नहीं होते हैं बल्कि कहीं दूर इन्फ्रारेड में होते हैं। इन तरंगदैर्ध्यों पर मौजूद उत्सर्गताओं का दिखने वाली उत्सर्जनताओं (दिखने वाले रंग) से कोई संबंध नहीं होता; सुदूर इन्फ्रारेड में अधिकतर वस्तुओं में उच्च उत्सर्जनताएं होती हैं। अतः, सूर्य के प्रकाश को छोड़कर, कपड़ों के रंग का गर्मी पर कोई असर नहीं पड़ता; इसी तरह, मकानों पर किये गए पेंट के रंग से कोई अंतर नहीं पड़ता है सिवाय उस भाग के, जिसपर सूर्य की रोशनी पड़ती है। इसका मुख्य अपवाद है, चमकदार धात्विक सतहें जिनमें दर्शनीय तरंगदैर्ध्यों और सुदूर इन्फ्रारेड, दोनो में कम उत्सर्जनताएं होती हैं। ऐसी सतहें दोनो दिशाओं में ताप संचार कम करने के लिये प्रयोग में लाई जा सकती हैं; अंतरिक्षयान को पृथक्करित करने के लिये प्रयुक्त बहु-पर्तीय पृथक्कारक इसका एक उदाहरण है। मकानों में लगाई जाने वाली कम-उत्सर्जनता वाली खिड़कियां अधिक जटिल तकनीक से बनी होती हैं क्यौंकि उनमें दर्शनीय रोशनी में पारदर्शक रहते हुए गर्म तरंगदैर्ध्यों पर कम उत्सर्जनता होनी पड़ती है।

भौतिक संचार

अंततः ताप को गर्म या ठंडी वस्तु को एक स्थान से दूसरे स्थान पर भौतिक संचार करके प्रवाहित करना संभव है। यह किसी बोतल में गर्म पानी डालकर आपके बिस्तर को गर्म करने या हिमखंड के बहने से समुद्र की तरंगों के बदलने जितना आसान है।

इंसुलेशन और विकिरक अवरोध

ताप इंसुलेटर संचालन, संवाहन या दोनों को सीमित करके ताप के प्रवाह को कम करने के लिये विशेष रूप से बनाई गई वस्तुएं हैं। विकिरक अवरोध विकिरण को परावर्तित करने वाली वस्तुएं हैं और इसलिये विकिरक स्रोतों से ताप के प्रवाह को घटाती हैं। अच्छे इंसुलेटरों का अच्छा विकिरण अवरोधक होना जरूरी नहीं है और न ही इसका विलोम सत्य है। उदा. धातु उत्तम परावर्तक और कमजोर इंसुलेटर है।
इंसुलेटर के प्रभाव का संकेत उसकी R- (प्रतिरोध) value से मिलता है। किसी भी पदार्थ की R-value संवाहक गुणक (k) गुणा इंसुलेटर की मोटाई (d) का उल्टा होता है। प्रतिरोध की इकाईयां SI इकाईयों में हैं: (K•m²/W)
एक सामान्य इंसुलेशन वस्तु, कठोर फाइबरग्लास की R-value 4 प्रति इंच है, जबकि एक कमजोर इंसुलेटर, उंडेले गए कांक्रीट की R-value 0.08 प्रति इंच होती है।
किसी विकिरण अवरोधक का प्रभाव का संकेत उसकी परावर्तकता से मिलता है, जो परावर्तित विकिरण का एक भाग होता है। उच्च परावर्तकता वाली वस्तु में (समान तरंगदैर्घ्य पर) कम उत्सर्गकता होती है या इसका विलोम सत्य होता है (किसी विशिष्ट तरंगदैर्घ्य पर, परावर्तकता =1 - उत्सर्गकता). किसी आदर्श विकिरण अवरोधक की परावर्तकता 1 होती है और इसलिये वह भीतर आ रहे विकिरण के 100% को परावर्तित कर सकता है। वैक्यूम बोतलों (डीवार्स) को ऐसा ही बनाने के लिये उनमें चांदी लगाई जाती है। अंतरिक्ष के निर्वात में, उपग्रहों में बहु-पर्तीय इंसुलेशन का प्रयोग किया जाता है जिसमें अल्यूमिनियमीकृत माइलार की कई पर्तें होती हैं जो विकिरित ताप संचार को बहुत कम कर देती हैं और उपग्रह के तापमान को नियंत्रित करती हैं।

ताप विनिमयक

ताप विनिमयक एक तरल से दूसरे तरल में प्रभावशाली ताप संचार के लिये बनाया गया उपकरण है, चाहे वे तरल किसी ठोस दीवार से अलग किये गए हों जिससे कि वे कभी मिश्रित न हों, या चाहे वे सीधे संपर्क में हों. ताप विनिमयक रेफ्रिजरेशन, एयरकंडीशनिंग, स्पेस हीटिंग, विद्युत उत्पादन और रसायनिक संसाधन में बड़े पैमाने पर प्रयोग में लाए जाते हैं। ताप विनिमयक का एक सामान्य उदाहरण है कार का रेडियेटर, जिसमें गर्म रेडियेटर तरल को रेडियेटर की सतह पर से हवा को प्रवाहित करके ठंडा किया जाता है।
ताप विनिमयक प्रवाहों के सामान्य प्रकारों में समानांतर प्रवाह, विपरीत प्रवाह और अनुप्रस्थ प्रवाह शामिल हैं। समानांतर प्रवाह में दोनो तरल ताप का संचार करते समय एक ही दिशा में प्रवाहित होते हैं; विपरीत प्रवाह में तरल एक दूसरे की विरूद्ध दिशाओं में बहते हैं और अनुप्रस्थ प्रवाह में तरल एक दूसरे के प्रति समकोण पर बहते हैं। ताप विनिमयक के लिये सामान्य रचनाओं में कवच और नली, दोहरा पाइप, एक्स्ट्रूडेड फिन्ड पाइप, स्पाइरल फिन पाइप, यू-ट्यूब और स्टैक्ड प्लेट शामिल हैं।
जब इंजीनियर ताप विनिमयक में सैद्धांतिक ताप संचार की गणना करते हैं तो उन्हें इस बात का ध्यान रखना चाहिये कि दो तरलों के मध्य ताप की भिन्नता स्थिति के अनुसार बदलती है। सरल प्रणालियों में इस वजह से ‘औसत’ तापमान के रूप में लॉग मीन टेम्परेचर डिफरेंस (LMTD) का अकसर प्रयोग किया जाता है। अधिक जटिल प्रणालियों में LMTD की जानकारी उपलब्ध नहीं होती और उसकी जगह संचार इकाइयों की संख्या (NTU) वाली विधि काम में ली जा सकती है।