راه های انتقال گرما

اگر یک انتهای سیخی را به مدت زیادی داخل اجاقی گرم نماییم ، انتهای دیگر آن نیز گرم می‌شود. آزمایش‌های مربوط به گرما از طریق بدنه سیخ ، از انتهای داغ به انتهای سرد منتقل می‌شود. این روش انتقال آزمایشهای مربوط به گرما ، یا شارش انرژی از طریق ماده را رسانش گرمایی می‌گویند. فلزات ، بویژه نقره ، مس و آلومینیوم رساناهای خوب آزمایش های مربوط به گرما و بیشتر غیر فلزات رساناهای ضعیف آزمایش های مربوط به گرما هستند. ته مسی ماهی‌تابه آزمایش های مربوط به گرما را در تمام جهات و بطور یکنواخت در ته ماهی‌‌تابه پخش می‌کند . دسته ماهی‌تابه از جنس چوب یا پلاستیک است که رساناهای ضعیفی هستند . وقتی از این مواد برای جلوگیری از رسانش آزمایشهای مربوط به گرما استفاده می‌شود، عایق حرارتی نامیده می‌شوند.

محاسبه انتقال رسانشی گرما در سطوح نانومقياس

دانشمندان با استفاده از يك نانونوك، با منبع گرمايي نانومقياس، توانسته‌اند يك سطح موضعي را بدون تماس با آن گرم كنند؛ اين كشف راهي به سوي ساخت ابزارهاي گرمايي ذخيره اطلاعات و نانودماسنج‌ها خواهد بود .

همه ساله نياز بشر به ذخيره اطلاعات بيشتر و بيشتر مي‌شود. درك چگونگي انتقال گرما در مقياس نانو لازمه كاربرد اين فناوري تأثيرگذار در ذخيره اطلاعات است. دانشمندان سراسر جهان سعي دارند تا فناوري‌هاي جايگزيني براي سيستم‌هاي ذخيره اطلاعات كنوني بيابند تا پاسخگوي نياز روزافزون جوامع امروزي به ذخيره اطلاعات باشد؛ فناوري گرمايي ذخيره اطلاعات از جمله گزينه‌هايي است كه به آن رسيده‌اند .

در اين روش، با استفاده از يك ليزر، ديسك مورد نظر براي ذخيره اطلاعات را گرم كرده و به اين ترتيب فرايند ثبت مغناطيسي پايدار مي‌شود، به طوري كه نوشتن داده‌ها روي آن آسان‌تر شده، پس از خنك شدن آن مي‌توان داده‌ها را مجدداً بازيابي نمود. با استفاده از اين روش، مشكل بحراني حد ابرپارامغناطيسي كه دستگاه‌هاي ضبط مغناطيسي با آن مواجه‌اند، برطرف مي‌شود .
در روش‌هاي كنوني دانشمندان بيت‌هاي اطلاعاتي را كه در دماي اتاق كار مي‌كنند، تا اندازه معيني كوچك مي‌كنند، اما اين بيت‌ها با اين كار از لحاظ مغناطيسي ناپايدار شده، از محل خود خارج مي‌شوند، در نتيجه اطلاعات روي آنها پاك مي‌شود .

بررسي‌هاي اخير دانشمندان فرانسوي درباره انتقال گرما بين نوك و سطح به پيشرفت مهمي در زمينه ذخيره گرمايي اطلاعات و ديگر كاربردها منجر شده است. آنها گرمايي را كه بيشتر از طريق هوا و به شيوه رسانش، بين نوك سيليكوني و يك سطح انتقال مي‌يابد، محاسبه كردند .

Pierre-Olivier Chapuis از محققان اين گروه مي‌گويد : ” انتقال گرما در سطح ماكروسكوپي به خوبي شناخته شده است (وقتي برخورد مولكول‌ها در حالت تعادل موضعي ترموديناميكي باشد با تابع پخش فوريه بيان مي‌شود). همچنين انتقال گرما را مي‌توان در يك نظام بالستيك خالص (وقتي كه هيچ برخوردي بين مولكول‌ها وجود ندارد) محاسبه نمود. اما محاسبه انتقال گرما در نظام مياني، وقتي كه مولكول‌ها با هم برخورد دارند، همچنان يك چالش به شمار مي‌آيد .“

دانشمندان در آزمايش خود از يك نوك داراي منبع گرمايي به ابعاد 20 nm كه در فاصله بين صفر تا 50 نانومتري بالاي سطح قرار مي‌گيرد، استفاده كرده‌اند .

مولكول‌هاي هواي بين نوك و سطح، در تماس با اين نوك داغ، گرم شده و روي سطح ديسك قرار مي‌گيرند و گاهي هم قبل از آن با ديگر مولكول‌ها برخورد مي‌كنند. اين محققان براي اولين بار با استفاده از قانون بولتزمن درباره حركت گازها، توانستند توزيع گرمايي در اين مقياس و نيز سطوح شارگرمايي را تعيين كنند. آنها نشان دادند كه انتقال و انتشار گرما از نوك به سطح در مدت چند ده پيكوثانيه و بدون آن كه تماس بين نوك و سطح برقرار شود، انجام مي‌گيرد. آنها همچنين دريافتند كه در فاصله كمتر از 10 nm اين نوك داغ مي‌تواند ضمن حفظ شكل، ناحيه‌اي به پهناي 35 nm را گرم كند و در بيشتر از اين فاصله، شكل از بين رفته و لكه گرمايي به طور قابل توجهي افزايش مي‌يابد .

با اين روش كه پيش بيني مي‌شود تا سال دو هزار و ده به بازار راه يابد، مي‌توان چگالي اطلاعاتي معادل تريليون‌ها بيت (ترابايت) را دريك اينچ مربع جا داده و چگالي جريان را هم كمتر نمود. از اين روش همچنين مي‌توان در ميكروسكوپ‌هاي گرمايي پيمايشي كه مانند يك نانودماسنج، گرما و رسانش گرمايي در مقياس نانو را حس مي‌كنند، استفاده نمود. در اين روش اطلاع از سطح شار گرمايي، براي تشخيص اين كه آيا به دماي بحراني (مانند نقطه ذوب) رسيده‌ايم يا نه، بسيار مهم است .
به گفته اين محققان در اين روش با كاهش گرماي منبع، مي‌توان به بررسي دقيق‌تر نمونه نسبت به آنچه هم‌اكنون انجام مي‌شود، پرداخ ت .

اگر سر يك ميله فلزي را در كنار يك جسم گرم قرار دهيم، طرف ديگر ميله گرم مي شود، علت گرم شدن ميله آن است كه مولكولهاي مجاور چشمه ي گرم، گرم شده و با دامنه ي بيش تري ارتعاش مي يابند، در نتيجه هر مولكول به مولكول مجاور خود ضربه زده و دامنه ارتعاش آن را بيش تر مي كند، به اين ترتيب گرما در داخل جسم منتشر مي شود.

نكته: مولكولهاي گرم منتقل نمي شوند بلكه انرژي خود را به صورت انرژي جنبشي به مولكولهاي سرد مجاور انتقال مي دهند به عبارت ديگر در روش رسانايي ماده ثابت است و گرما از مولكولي به مولكول ديگر منتقل مي شود.

-انتقال گرما به وسيله مولكولها، اتم ها و الكترون هاي آزاد يك جسم به مولكولها و اتم هاي ديگر آن جسم را رسانش گرما مي گويند.

نكته: اين روش در هر سه حالت جامد،مايع و گاز صورت مي گيرد، اما انتقال گرما در جامدات بيش تر صورت مي گيرد زيرا هر چه مولكول ها به هم نزديك تر باشند، گرما با سرعت بيش تري در ماده منتقل مي شود.

قابليت رسانش جامدات به جنس آن ها بستگي دارد. به طوريكه در فلزات رسانش بسيار قوي و سريع است به همين دليل آن ها را رساناي گرما مي نامند ولي موادي مانند شيشه، چوب، پلاستيك گرما را بسيار آهسته منتقل مي كنند به همين دليل آن ها را نارسانا(عايق) مي نامند.
در بين فلزات رسانايي نقره، مس، طلا، آلومينيوم بيش تر از بقيه است.

مايعات به خصوص آب معمولا رساناي ضعيف گرما هستند.(جيوه فلز مايع و فلزات مذاب رسانا هستند.)

گازها و از جمله هوا نيز رساناي ضعيف گرما هستند.

توجه: فلزات رساناي خوبي هستند، زيرا در پديده رسانش وجود الكترون هاي آزاد بسيار موثر است. فلزات داراي الكترون هاي آزاد بسياز زيادي هستند. هنگامي كه به نقطه اي از فلز گرما بدهيم الكترون هاي آزاد انرژي جنبشي بيش تري به دست مي آورند و سريع تر حركت مي كنند، الكترون هاي سريع حامل انرژي، از قسمت هاي گرم فلز به قسمت هاي سرد آن پخش مي شوند و در برخورد با مولكولهاي فلز، انرژي جنبشي خود را به آن منتقل مي كنند، با اين فرايند انرژي گرمايي به سرعت از قسمت هاي گرم به قسمت هاي سرد منتقل مي شود.

انتقال حرارت تشعشعی

آزمایشهای مربوط به گرما از خورشید از طریق یک فضای وسیع خلا و تهی به زمین می‌رسد و این مسیر را بصورت اشعه ، مانند نور ولی نامرئی طی می‌کند. هر جسم گرم ، حتی انسان از خود اشعه‌هایی گسیل می‌کند. اجسام سرد این آزمایشهای مربوط به گرما را جذب می‌کنند ، بنابراین مثل همیشه انتقال خالص آزمایشهای مربوط به گرما از جسم گرم به جسم سرد صورت می‌گیرد. از اینرو ، آزمایش‌های مربوط به گرما همانند نور از طریق تابش و به خط مستقیم منتقل می‌شود. برای همین ، وقتی در آزمایشهای مربوط به هوا باز مقابل آتش می‌نشینیم، صورت ما از آزمایشهای مربوط به گرما سرخ می‌شود و پشت ما سردتر می‌شود.

کارایی یک جسم در تابش یا جذب آزمایشهای مربوط به گرما به رنگ سطح آن بستگی دارد. جسم سیاه هر تابشی را به سرعت و با کارایی زیاد جذب می‌کند. توانایی تابش انرژی گرمایی از سطح بستگی نزدیکی به توانایی جذب انرژی تابشی توسط آن سطح دارد. جسم سیاه هنگامی که گرم است، یک تابنده عالی است. به همین دلیل پرده‌های خنک کننده موتورها را همواره رنگ سیاه می‌زنند. اما جسم سفید نه جذب کننده خوبی است و نه تابشگر خوب است. به عنوان مثال سطح نقره مانند اغلب فلزات همانند جسم سفید عمل می‌کنند. برای عایق بندی اتاقکهای زیر شیروانی از یک لایه ورق آلومینیوم نیز استفاده می‌شود. ورق آلومینیوم از تابش گرمای داخل به خارج در زمستان و از تابش گرمای خارج به داخل در تابستان جلوگیری می‌کند.

مي دانيم که انتقال گرماي رسانشي و جابه جايي نيازمند گراديان دما در ماده است ولي انتقال گرما توسط تشعشع به ماده نياز ندارد .تشعشع فرآيند بسيار مهمي است و از نظر فيزيکي شايد جالب ترين نوع انتقال گرما است.بسياري از فر آيندهاي گرمايش ، سرمايش ، خشک کردن صنعتي وهمچنين روشهاي  تبديل انرژي نظير احتراق سوخت فسيلي وتشعشع خورشيدي با فرآيند تشعشع سروکار دارند.

1-2- چرا مسئله بايد حل شود؟

از آنجا که تابش يکي از روشهاي انتقال گرما مي باشد و در بسياري از موارد موجود در صنعت که نياز به دقت فراوان است و تابش سهم مهمي در توليد و يا جذب انرژي دارد، شناخت اين پديده لازم وضروري است .

خورشيد به عنوان يک منبا انرژي بسيار خوب در سالهاي آتي مورد توجه خاص قرار خواهد گرفت . ساخت وسايل و ابزارهايي که بتوانند انرزي خورشيد را جذب کرده و به صورتهاي متعارف تبديل کنند نيازمند شناخت کامل پديده تابش است .

1-3- ديگران براي حل مسئله چه کردند؟

جسمي را در نظر  بگيريد که ابتدا در دماي   که از دماي  اطراف بيشتر است قرار دارد و پيرامون آن خلا است (شکل 1) . وجود خلا مانع دفع انرژي رسانشي  يا جابه جايي است .ولي مي دانيم که جسم سرد مي شود و سرانجام با اطراف به تعادل گرمايي مي رسد .اين سرمايش با کاهش انرژي داخلي ذخيره شده در جسم همراه است و بر اثر گسيل تشعشع گرمايي از سطح روي ميدهد. سطح نيز تشعشع گسيل شده از اطراف را جذب مي کند . اگر  ، آهنگ خالص انتقال گرماي تشعشعي  از سطح است و سطح سرد مي شود تا  به    برابر گردد.

تشعشع گرمايي را آهنگ گسيل انرژي از ماده بر اثر دماي آن مي دانيم . در همين لحظه ، تمامي اجسامي که در اطراف شما قرار دارند تشعشع گرمايي گسيل مي کنند : مبلمان و ديوارهاي اتاق در صورتي که در داخل باشيد ، يا زمين ، ساختمان ، اتمسفر و خورشيد اگر در بيرون هستيد. مکانيزم گسيل به انرژي آزاد شده ناشي از نوسان ها يا انتقال الکترونهاي  بسياري که  ماده را تشکيل مي دهند مربوط مي  شود. اين نوسانها ناشي از دماي ماده هستند، از اين رو، تشعشع گرمايي را به شرايط برانگسخته گرما يي داخل ماده مربوط مي دانيم.

تمام شکلهاي ماده تشعشع مي کنند . در گازها و اجسام نيمه شفاف ، مانند شيشه و بلورهاي نمکدر دماهاي زياد ، گسيل تشعشع يک پديده  حجمي است .

ضريب ديد براي محاسبه تبادل تشعشع بين دو سطح ، ابتدا ضريب ديد را ( که به آن ضريب وضعيت يا ضريب شکل نيز گويند )  تعريف مي کنيم.

ضريب ديد  کسري از تشعشع خروجي از سطح  است که توسط سطح  دريافت مي شود. براي تعيين عبارت کلي  ، سطوح  و  را در شکل 2 که وضعيت آنها به طور اختياري است در نظر ميگيريم. مساحتهاي جزيي هر سطح ،  و  ، با خطي به طول R به هم وصل شده اند. اين خط با عمودهاي و  وارده بر سطوح ، به ترتيب ، زواياي قطبي  و  را مي سازد . مقادير R ،  و  با تغيير مکان جزء مساحت روي   و  تغيير مي کنند .

از تعريف شدت تشعشع ، معادله آهنگ تشعشعي را که از  خارج و توسط  دريافت مي شود به صورت زير مي توان بيان کرد:

که در آن  شدت تشعشع خروجي از سطح و  زاويه فضايي است که تحت آن از ديده مي شود . با  نتيجه مي شود که

به فرض اينکه سطح  به طور پخشي گسيل و بازتاب مي کند خواهيم داشت

آهنگ کلي تشعشعي که از سطح خارج و توسط سطح دريافت مي شود با انتگرالگيري روي دو سطح به دست مي آيد يعني

که در آن فرض مي شود شار تشعشعي خروجي  روي سطح  به طور يکنواخت است . از تعريف ضريب ديد به عنوان کسري از تشعشع که از  خارج و توسط  دريافت مي شود،

نتيجه مي شود که

به طور مشابه ضريب ديد  به عنوان کسري از تشعشع خروجي از  و دريافت شده توسط تعريف مي شود.از بحث بالا نتيجه مي شود

براي تعيين ضريب ديد هر دو سطح دلخواهي که گسيلنده ها و بازتاب کننده هاي پخشي هستند و داراي شار تشعشع خروجي يکنواخت اند از معادله هاي بالا مي توان استفاده کرد.

1-4- ما براي حل اين مساله چه کرديم .

ما در اين آزمايش به بررسي رابطه بين فاصله با جذب تابش از يک منبع انرژي و جذب و صدور از منابع مختلف مي پردازيم.

2- قسمت اصلي

2-1- آزمايش 1

هدف از اين آزمايش نشان دادن رابطه بين شدت تشعشع سطح و فاصله آن تا راديومتر مي باشد.در اين آزمايش راديومتر را در فاصله 900 ميليمتر از صفحه گرم شده قرار مي دهيم.ولتاژ را بر روي 20 ولت تنظيم مي کنيم و اجازه مي دهيم که سيستم به حالت پايدار برسد.زماني که T10 و R ثابت شدند مقادير آن ها را مي خوانيم.دماي محيط نيز را قبل از آزمايش از پروب T9 مي خوانيم.

T10 = دماي سطح گرم شده (منبع حرارتي) بر حسب سانتيگراد

T9 =دماي محيط بر حسب سانتيگراد

X =فاصله بين سطح گرم شده و راديو متر بر حسب متر

R =ميزان تشعشع دريافتي توسط راديومتر بر حسب وات بر متر مربع

پس از قرائت مقادير بالا، راديومتر را 100mm به طرف صفحه گرم شده حرکت مي دهيم وآن را در فاصله 800mm از منبع گرم قرار مي دهيم.پس از برقراري پايداري در شرايط جديد مقاديرذکر شده را يادداشت مي کنيم . اين مراحل را براي فواصل 700,600,500,400,300,200 mm از منبع تکرار مي کنيم.

بايد توجه داشت که راديو متر را در فاصله کمر از 200ميليمتر قرار ندهيم زيرا در اين صورت منبع حرارتي ديد راديومتر را پر مي کند و مقاديري که راديومتر نشان مي دهد با واقعيت تطابق نخواهد داشت.

اندازه گيري و محاسبات

معادله بهترين خطي که از اين نقاط مي گذرد بصورت زير بدست مي آيد

Log R=-2.8 log x + 1.12

همان طور که مشاهده مي شود شيب اين خط تقريبا 2 مي باشد که با حالت تئوري همخواني دارد.

2-2- آزمايش 2

هدف از اين آزمايش نشان دادن شدت تشعشع به صورت تابعي از توان چهارم دماي منبع مي باشد که مويئد قانون بولتزمن مي باشد.

دستگاه را مانند آزمايش قبل آماده مي کنيم بطوريکه منبع در سمت چپ و راديومتر در سمت راست قرار گيرد.ولتاژ خروجي را بر روي 20 ولت تنظيم مي کنيم. زمانيکه دماي صفحه حرارتي پايدار  وثابت شد، راديومتر را در فاصله 300mm از منبع تشعشع قرار مي دهيم.بعد از ثبات نسبي در قرائت مقادير راديو متر دماي T10 را يادداشت کرده و سپس R  را مي خوانيم.به ازاي ولتاژ هاي 16 ولت و 14 ولت نيز در همان فاصله،دماي صفحه و مقدار راديو متر را مي خوانيم.اطلاعات حاصل در جدول نمايش داده شده است.

دماي محيط:

فاصله بين منبع و راديو متر: 0.3m

V=20v

همين طور براي ساير مقادير خواهيم داشت:

V=16v

V=14v

2-3- آزمايش سوم:

ميزان تشعشع خوانده شده توسط راديومتر به تشعشع گسيل شده توسط منبع به ضرب ديد view factor بستگي دارد.

در اين آزمايش در واقع اطلاعاتي را که در آزمايش اول بدست آورديم مورد تجزيه و تحليل قرار مي دهيم و ضريب ديد را بدست مي آوريم.به اين صورت که ميزان تشعشع صادر شده از منبع را با ميزان انرژي دريافتي توسط راديو متر مقايسه مي کنيم.

که در آن  و

2-4- آزمايش 4

در اين آزمايش ضريب صدور تشعشع سطوح مختلف براق و خاکستري را در مقايسه با جسم سياه تعيين مي کنيم.

در ابتدا ولتاژ را بر روي 20v تنظيم مي کنيم و صبر مي کنيم تا سيستم به حالت پايدار برسد.زمانيکه دماي T7 مربوط صفحه فلزي سياه دماي ثابت گرديد، راديو متر را به فاصله 250mm از منبع قرار مي دهيم.تشعشع راديو متر را زمانيکه ميزان  R  آن ثابت شد و به حالت پايدار رسيد، يادداشت مي کنيم.

اين آزمايش را براي صفحه خاکستري  وبراق نيز تکرار مي کنيم.اطلاعات ثبت شده در جداول ذيل نشان داده شده است.

براي صفحه سياه:

صفحه خاکستري:

صفحه صيقلي:

اگر ضريب نشر صفحه سياه را مرجع قرار دهيم و بقيه صفحات را نسبت به آن بسنجيم خواهيم داشت.

براي صفحه خاکستري داريم:

براي صفحه سفيد داريم:

بحث و نتيجه گيري

الف- با اين ازمايش متوجه شديم که شدت تشعشع با افزايش فاصله از منبع تشعشع کاهش مي يابد.که ميزان کاهش با توان -2 فاصله بين منبع تشعشع و و راديو متر رابطه دارد.

ب- با در نظر گرفتن خطاهاي آزمايش مي توان تقريبا F را ثابت در نظر گرفت.در اين صورت مي توانيم صحت قانون بولتزمن را مورد بررسي قرار دهيم. F ضريب شکل مي باشد و از انجا که با تغييرات ولتاژ،جريان و يا دماي سطح شکل تغيير نمي کند مي بايست ضريب ثابت بماند که در آزمايش تقريبا اين مورد اثبات شد.

پ- در اين آزمايش صحت رابطه  را با آزمايش مورد بررسي قرار داديم که در اغلب موارد صحت آن مورد تاييد قرار گرفت.

ت- نوع سطح تابنده انرژي تابشي بر روي ميزان انرژي گسيل شده تاثير مي گذارد.يک صفحه سياه بيشترين مقدار انرژي را دريافت و گسيل مي دهد.يک سطح براق کمترين ميزان انرزي را دريافت و منتقل مي کند.سطح خاکستري بسته به ميزان آن انرژي کمتر از صفحه سياه و بيشتر از صفحه براق دريافت و منتقل مي کند.مشاهده مي شود که دماي صفحه سياه بيشتر از صفحات ديگر مي باشد.صفحه براق کمترين دما را دارد.صفحه خاکستري دمايي بين صفحه سياه و براق دارد.اين ها همه با تئوري همخواني داشته و مقادير ضريب نشر با واقعيت تطابق نسبي دارد .

سيستم حرارتي گرمايش از كف كه انتقال حرارت به صورت تشعشعي (تابشي) سهم زيادي در فرآيند گرمايشي آن دارد، درمقايسه با ساير سيستمهاي حرارتي نه تنها در صرفه جويي و بهينه سازي مصرف انرژي بلكه در مقوله رفاه و آسايش ساكنان ساختمان ها داراي نقاط قوت بسياري مي باشد. در سالهاي اخير، سيستم گرمايشي از كف در كشورهاي اروپائي و آمريكا بسيار متداول شده است و دليل اين گسترش روزافزون بهينه بودن مصرف انرژي، توزيع يكسان گرما در تمامي سطح و فضا و دوري از مشكلات موجود در ساير روش ها ، به عنوان مثال سياه شدن ديوارها، گرفتگي و پوسيدگي لوله ها و … مي باشد. استفاده از روش گرمايش از كف جهت گرمايش محل سكونت از ديرباز به طرق مختلف انجام مي گرفته است.

بطوريكه رومي ها زير كف را كانال كشي كرده و هواي گرم را از آن عبور مي دادند و كره اي ها دود حاصل از سوخت را قبل از اينكه از دودكش عبور كند از زير كف انتقال مي دادند. در سال 1940 نيز فردي بنام سام لويت براي اين منظور لوله هاي آب گرم را در زير كف قرار داد. دركشور ايران نيز درمناطق كوهستاني و سردسير ازجمله آذربايجان اين روش مورد استفاده قرار مي گرفته، كه بيشترين مورد استفاده آن درحمام ها بود.

به دليل اينكه هوا نمي تواند گرماي زيادي را درخود نگاه دارد روش هواي گرم در موارد مسكوني چندان به صرفه نيست و روش الكتريكي نيز فقط زماني مقرون به صرفه است كه قيمت انرژي الكتريكي كم باشد.درمقايسه با دو روش ذكر شده، سيستم گرمايش با آب گرم ( هيدروليك) مقرون به صرفه تر و خوشايندتر مي باشد.

بدين خاطر سالهاي متوالي در سراسر دنيا مورد استفاده قرار گرفته است. روش گرمايش از كف به عنوان راحت ترين، سالم ترين وطبيعي ترين روش براي گرمايش شناخته شده است. همانطور كه افراد دريك روز سرد زمستاني توسط تشعشع خورشيد احساس گرما مي نمايند دراين روش نيز گرما را بوسيله انتقال حرارت تشعشعي(تابشي) از كف دريافت مي كنند و يقيناً احساس آسايش بيشتري خواهند نمود. در اين سيستم گرمايشي معمولاً دماي آب گرم موجود در لوله هاي كف خواب بين 30 تا60 درجه سانتي گراد مي باشد كه درمقايسه با ساير روشهاي موجود، كه دماي آب بين 54 تا 71 درجه سانتي گراد است، 20 تا40 درصد در مصرف انرژي صرفه جوئي مي شود. در ساختمان هائي كه داراي سقف بلند مي باشند استفاده از سيستم گرمايش از كف باعث كاهش مصرف انرژي و صرفه جوئي در مصرف سوخت مي شود، به اين خاطر كه در ساير روشها (مانند رادياتور و بخاري) هواي گرم در اثر كاهش چگالي سبك شده و به سمت سقف مي رود و اولين جائي را كه گرم مي كند سقف مي باشد (اين موضوع به طور واضح درسمت چپ شكل زير مشخص مي باشد). به علت بالا بودن دماي هوا در كنار سقف ميزان انتقال حرارت آن به سقف از هرجاي ديگر بيشتر است و اين عامل باعث اتلاف مقدار زيادي انرژي مي شود.

در روش گرمايش از كف ابتدا قسمت پائين كه مورد نياز ساكنين است گرم مي شود وهوا با دماي كمتري به سقف مي رسد، كه اين يكي از مزاياي اصلي اين سيستم مي باشد. يكي ديگر از مزاياي استفاده از روش گرمايش از كف كه امروزه بسيار مورد توجه واقع مي شود آسايش و راحتي افراد مي باشد، به طوريكه آسايش و راحتي فرد در محل سكونتش بدون اينكه از هر بابت داراي محدوديت باشد فراهم مي شود. در نظر بگيريد كه بدن شما در يك اتاق بگونه اي گرم شود كه شما در هنگام استراحت هيچگونه هواي گرمي را استنشاق نكنيد وتنفس شما بسيار ملايم صورت گيرد، اين بهترين روش گرم كردن در يك آپارتمان و يا يك منطقه صنعتي است. همه اعضاي بدن شما بخصوص پا كه بيشترين فاصله را با قلب دارد هميشه گرم خواهد ماند و اين براي انسان بسيار مطلوب خواهد بود.

همانگونه كه قبلاً اشاره شد در گرمايش بوسيله رادياتور يا بخاري دماي قسمت پائين اتاق سردتر از بالاي آن مي باشد كه اين حالت براي كودكان كه داراي اندام كوچكي هستند ناخوشايند است، بطوريكه افزايش البسه آنها براي جلوگيري ازبيماري، آزادي كودكانه آنها را محدود مي كند. سيستم گرمايش از كف برخلاف رادياتور كه هواي محل سكونت را به دليل گرماي بيش ازحد خشك مي كند،رطوبت را درحد متعادل نگه مي دارد. همانطور كه مي دانيد بيشتر افراد از كثيف شدن ديوارها و محيط زندگي در اثر استفاده ازمنابع گرمايي همچون بخاري و رادياتور احساس نارضايتي مي كنند. از آنجا كه درسيستم گرمايش از كف جريان هوا به آرامي از پايين به بالا مي باشد بنابراين ديوار ها پاكيزه مي مانند. همين امر در مورد افرادي كه داراي آلرژي (حساسيت) هستند بسيار مورد اهميت است زيرا كه محيط زندگي عاري ازهرگونه محرك خواهد شد. استفاده از اين سيستم در مكانهايي همچون آشپزخانه و حمام كه كف آنها معمولاً خيس و مرطوب است مناسب بوده و باعث خشك شدن كف مي شود. مسئله مهم ديگر اينكه در اين روش رطوبت زمين كه دربعضي ازمنازل منجر به بروز بيماريهاي مفصلي مي شود از بين رفته و باعث كاهش درد بيماران مبتلا به ناراحتي هايي از قبيل رماتيسم خواهد شد.

همچنين از رطوبت ديوارها و كپك زدن آن كه شكل خوشايندي ندارد جلوگيري مي شود و ديگر اينكه در اين سيستم جايي براي رشد و تكثير حشرات موزي وجود ندارد. يكي ديگر از فوايد سيستم گرمايش از كف اين است كه ديگر فضاي منزل يا محل كار توسط دستگاههاي رادياتور و بخاري اشغال نمي شود و به همين منظور آزادي بيشتري در تغيير دكوراسيون محل زندگي خواهيد داشت. شايد به نظر آيد كه به هنگام نصب سيستم كف خواب ديگر نمي توانيد پوشش مورد علاقه تان را براي كف انتخاب كنيد! ولي اين طور نيست. مطمئن باشيد كه شما مي توانيد براي پوشش كف منزل خود از هر نوع مصالحي ازجمله سنگ، سراميك، كاشي پاركت چوب وفرش نيز استفاده كنيد بدون اينكه تأثيري درگرماي مطلوب محيط شما بگذارد. يكي ديگر از مزاياي استفاده از سيستم گرمايش از كف در روشهاي ذوب برف مي باشد بطوريكه از اين روش براي ذوب يخ يا برف موجود در پياده روها، لنگرگاههاي بارگيري، جاده ها، ورودي ساختمانها و بيمارستانها، باند فرود هواپيما و زمينهاي ورزشي از جمله زمين فوتبال وغيره كه دسترسي آسان و سريع به محل الزامي است مي توان استفاده كرد. بطوريكه اين روش علاوه بركاهش هزينه هاي برف روبي و نمك پاشي، در حفظ ساختار موارد گفته شده بسيار موثر خواهد بود.

در حدود ۱۷۰۰ سال پیش در امپراتوری روم باستان سیستم گرمایش از کف بعنوان یک روش تامین حرارت مطلوب مورد استفاده واقع می گردید.

رومیان با سوزاندن چوب و ایجاد گازهای متشعل و عبور دادن این گازها از کانالهای هوایی موجود در کف ساختمان اقدام به گرم کردن کف منازل خود می کردند . این روش مدتهای مدیدی مورد استفاده قرار گرفته است.

هم اکنون نیز همین سیستم گرمایشی مورد استفاده قرار می گیرد با این تفاوت که نحوه عمل مقداری تغییر کرده است و بجای گاز داغ از آب گرم و بجای کانالها از لوله های مخصوص استفاده می کنند.

امروزه با پیشرفت تکنولوژی هزینه نصب سیستم گرمایش کفی کاهش یافته است و با استفاده از لوله های PEX دیگر مشکلات مربوط به لوله های مسی وفلزی و پلی بوتیلن را نخواهیم داشت .

لوله های پلی بوتیلن ( PB ) مدتها در این روش مورد استفاده قرار می گرفت اما بدلیل وجود مشکلاتی مانند نشتی آب، کم کم جای خود را به لوله های جدید تر دادند.

امروزه لوله های پلیمری جدیدی که از جنس پلی اتیلن مشبک شده می باشند مورد استفاده قرار می گیرند. که مانند لوله های PB نصب آنها بسیار آسان خواهد بود اما بخاطر ساختار مشبک آن خواص بهتری از خود نشان می دهند و مشکلات لوله های پلی بوتلین را ندارند .

انتقال همرفت مربوط به گرما

برای اینکه یک جسم ، دیگری را گرم کند تماس واقعی بینشان ضروری نیست. مثلا خورشید از فاصله دور همه چیز را گرم می‌کند. گرما به روشهای مختلف ، که هر کدام تحت شرایط مختلفی قابل انجام است، انقال می‌یابد. تنها وجه مشترک این راههای انتقال ، آزمایشهای مربوط به گرما و تعریف بنیادی گرماست. به عبارتی در هر کدام از روشهای انتقال آزمایشهای مربوط به گرما ، انتقال انرژی از جسم گرمتر به جسم سردتر صورت می‌گیرد.

آب رسانای بسیار ضعیف گرماست. اگر یک ظرف آب را زیر شعله اجاق گاز قرار دهید، ممکن است سطح آب به جوش آید، در حالی که ته آب هنوز سرد باشد. برای اینکه آب بطور یکنواخت گرم شود باید آنرا روی شعله اجاق گاز گذاشت. در این حالت ، آب در ته ظرف گرم و منبسط می‌شود و چگالی آن کاهش می‌یابد. در نتیجه آب گرم از ته ظرف بالا می‌آید و آب سرد پایین رفته و به شعله نزدیکتر می‌شود. این فرآیند را که انتقال همرفت می‌نامند، آنقدر ادامه می‌یابد تا تمامی حجم آب داخل ظرف به نقطه جوش برسد.

انتقال آزمایشهای مربوط به گرما از طریق همرفت فقط تحت شرایط معینی اتفاق می‌افتد. اولین شرط این است که ماده شاره باشد (مایع یا گاز) تا بخش گرم کننده آن بتواند از میان بخش سردتر بالا برود. همچنین شاره باید از پایین گرم یا از بالا سرد شود. در خانه بخاری نزدیک کف اتاق قرار دارد در حالیکه قسمت سردکن یخچال در بالای آن واقع است. وسایل زیادی برای جلوگیری از انتقال آزمایشهای مربوط به گرما از طریق رسانش وجود دارد.

این وسایل با جلوگیری از جریان هوا مانع انتقال آزمایش‌های مربوط به گرما می‌شوند. برای همین ، فضاهای میان دیوارهای خانه را با اسفنج پر می‌کنیم، خودمان را با لایه‌های پشمی می‌پوشانیم و کولمنهای مسافرتی را از اسفنج می‌سازیم. آزمایشها نشان می‌دهد هوا رسانای ضعیفی است و اگر ما بتوانیم آنرا گیر بیاندازیم، می‌توانیم از انتقال همرفتی گرما هم جلوگیری کنیم.

انتقال آزمایشهای مربوط به گرما از طریق تابش

آزمایشهای مربوط به گرما از خورشید از طریق یک فضای وسیع خلا و تهی به زمین می‌رسد و این مسیر را بصورت اشعه ، مانند نور ولی نامرئی طی می‌کند. هر جسم گرم ، حتی انسان از خود اشعه‌هایی گسیل می‌کند. اجسام سرد این آزمایشهای مربوط به گرما را جذب می‌کنند ، بنابراین مثل همیشه انتقال خالص آزمایشهای مربوط به گرما از جسم گرم به جسم سرد صورت می‌گیرد. از اینرو ، آزمایش‌های مربوط به گرما همانند نور از طریق تابش و به خط مستقیم منتقل می‌شود. برای همین ، وقتی در آزمایشهای مربوط به هوا باز مقابل آتش می‌نشینیم، صورت ما از آزمایشهای مربوط به گرما سرخ می‌شود و پشت ما سردتر می‌شود.

کارایی یک جسم در تابش یا جذب آزمایشهای مربوط به گرما به رنگ سطح آن بستگی دارد. جسم سیاه هر تابشی را به سرعت و با کارایی زیاد جذب می‌کند. توانایی تابش انرژی گرمایی از سطح بستگی نزدیکی به توانایی جذب انرژی تابشی توسط آن سطح دارد. جسم سیاه هنگامی که گرم است، یک تابنده عالی است. به همین دلیل پرده‌های خنک کننده موتورها را همواره رنگ سیاه می‌زنند. اما جسم سفید نه جذب کننده خوبی است و نه تابشگر خوب است. به عنوان مثال سطح نقره مانند اغلب فلزات همانند جسم سفید عمل می‌کنند. برای عایق بندی اتاقکهای زیر شیروانی از یک لایه ورق آلومینیوم نیز استفاده می‌شود. ورق آلومینیوم از تابش گرمای داخل به خارج در زمستان و از تابش گرمای خارج به داخل در تابستان جلوگیری می‌کند.

مي خواهيم ظ رف آبي را به وسيله چراغي گرم كنيم، اگر شعله به يك قسمت از ظرف آب نزديك باشد، پس از مدتي مشاهده خواهيم كرد تمام آب به جوش مي آيد. علت اين پديده آن است كه آب در مكاني كه گرما مي گيرد منبسط و سبك مي شود و به طرف بالا حركت مي كند و آب سرد كه سنگين تر است جاي آن را مي گيرد. اين عمل آن قدر ادامه مي يابد تا آنكه همه ي آب گرم شده و سرانجام به جوش مي آيد.

عملي كه در آن انتقال گرما از راه انتقال مولكول ها صورت مي گيرد، همرفتي يا جابه جايي ناميده مي شود.

نكته: در مايعات و گازها(سيالات) كه مولكول ها به آساني مي توانند جابه جا شوند، گرما از راه همرفتي منتقل مي شود.

وجود جريان هاي گرم و سرد دريايي و انواع بادها در اثر جريان همرفتي به وجود مي آيد.
دستگاه آب گرم كن (شوفاژ)، دودكش كارخانه ها، لامپ هاي گازي بر اساس همين پديده عمل مي كنند.

توجه: در روش انتقال گرما به روش همرفت، خود ماده با جابه جا شدن گرما را منتقل مي كند.

نكته: در جريان همرفتي شارش مايع يا گاز بر اثر تغيير چگالي است.

چگالي: چگالي يك ماده جرم يك سانتي متر مكعب از آن ماده است.

چگالي به دو عامل بستگي دارد:

1- جرم جسم( m ) چگالي با جرم رابطه مستقيم دارد. يكاي اندازه گيري جرم Kg (كيلوگرم) يا گرم ( g ) است.

2- حجم جسم ( V ) چگالي با حجم جسم رابطه عكس دارد. يكاي اندازه گيري حجم متر مكعب   ( ) يا سانتي متر مكعب است.

چگالي ρ از رابطه زير بدست مي آيد.

يكاي اندازه گيري چگالي :

الف) اگر جرم بر حسب Kg و حجم بر حسب باشد واحد چگالي (كيلو گرم بر متر مكعب ) است.

ب) اگر جرم برحسب گرم( g ) و حجم بر حسب سانتي مترمكعب     است.

براي تبديل به   مقدار چگالي را بر 1000 تقسيم مي كنيم.

براي تبديل به مقدار چگالي را در 1000 ضرب مي كنيم.

با توجه به مفهوم چگالي، علت جريان همرفتي را توضيح مي دهيم،

وقتي ماده اي گرم مي شود، منبسط مي شود يعني فاصله ي بين مولكولهاي آن بيش تر شده در نتيجه چگالي آن كاهش مي يابد در آن قسمت به طرف بالا حركت مي كند. در اين هنگام مايعات اطراف جاي آن را مي گيرند و به تدريج تمام مايع گرم مي شود.

شرايط لازم براي ايجاد جريان همرفتي :

1- ماده مايع يا گاز باشد.

2- بين دو نقطه اختلاف دما وجود داشته باشد يعني قسمتي از آن گرم و قسمتي سرد باشد.

3- قسمت گرم ب ا پايين تر از قسمت سرد باشد .