تحقیق مقاله سیستم ها کنترل محیط زیست

گرما و دما واژگانی هستند که اغلب با هم اشتباه می‌شوند. گرما انرژی جنبشی مولکولها در یک ماده است و دما مقدار متوسط انرژی جنبشی در هر کدام از مولکولهای یک ماده می‌باشد. بنابراین دما مقدار تمرکز گرما در یک ماده است.

تقریباً تمامی اجسام مادی دارای گرما می‌باشند و این امر بدان جهت است که مولکولهای آنها در حال حرکت می‌باشند. طبق تعریف، صفر مطلق (F ْ 69/459- ، Cْ15/273- ، و یا K ْ0) دمایی است که در آن تمامی حرکتهای مولکولی متوقف می‌شود. هر چه جنبش مولکولها زیادتر باشد، دما بیشتر خواهد بود. بسیاری از مردم بواسطه تجربه روزمره خود، با دما (که به صورت فارنهایت با سلسیوس اندازه‌گیری می‌شود)آشنا می‌باشند. امّا واحد اندازه‌گیری گرما- واحد حرارتی انگلیسی (Btu) یا کالری- کمتر شناخته شده است. یک Btu ، طبق تعریف مقدار گرمای مورد نیاز برای افزایش دمای یک پوند آب به اندازه یک درجه فارنهایت می‌باشد.

گرکا همیشه از مواد گرمتر به مواد سردتر در جریان است. اگر هیچ تفاوت دمایی وجود نداشته باشد هیچ انتقال گرمایی نیز بوجود نخواهد آمد.

هدایت گرمایی

هدایت، انتقال  انرژی جنبشی بین مولکول‌های مجاور می‌باشد. این نوع انتقال همیشه از نقطه گرمتر- یعنی منطقه دارای جنبش مولکولی سریعتر- به نقطه سردتر- یعنی منطقه دارای جنبش مولکولی کندتر- صورت می‌گیرد. این انتقال به طور مساوی و در تمام جهات (بالا، پایین و اطراف) به آسانی انجام می‌گیرد و مستقل از نیروی گرانش زمین می‌باشد. یک نمونه روشن از انتقال هدایتی گرما، نگهداشتن قاشق فلزی در کاسه محتوی سوپ داغ می‌باشد.

برای موادی که درمحیطهای معماری قرار گرفته‌اند قانون عمومی وجود دارد؛ بدین صور که هر قدر چگالی یک ماده بیشتر باشد انتقال گرمااز طریق هدایت در آن راحت‌تر خواهد بود. فلزات (آلومینیوم، فولاد، مس) هادیهای بسیار خوبی می‌باشند. بتون و مصالح سنگی نیز هادیهای خوبی هستند. چوب در مرتبه بعدی قرار دارد. هوا و دیگر گازهای رایج هادیهای ضعیفی هستند و بنابراین عایق‌های خوبی می‌باشند. مواد متخلخل (مانند پشم، عایق فایبر گلاس و فومهای سفت) که فضاهای پراز هوای زیادی در خود دارند نیز عایق‌های خوبی هستند و اغلب در ساختمانها به منظور کاهش دفع و جذب گرما از آنها استفاده می‌شود.

از آنجا که هدایت گرمایی به انتقال انرژی جنبشی بین مولکولها بستگی دارد، در نبود مولکولها (یعنی در خلأ) هیچ انتقالی از طریق هدایت انجام نمی‌شود.

اندازه‌گیری هدایت

امکان انتقال گرما به صورت هدایت به چند عامل بستگی دارد:

امکان انتقال از طریق هدایت در خود ماده (عموماً هر قدر چگالی زیادتر و ماده دارای هوای کمتری باشد، هدایت بیشتر خواهد بود).

اختلاف دما( هر چه اختلاف دما در دو طرف ماده زیادتر باشد، هدایت بیشتر خواهد بود).

سطح قرار گرفته در معرض گرما (هر چه مساحت سطح قرار گرفته در برابر اختلاف دما بیشتر باشد، هدایت بیشتر خواهد بود).

مدت زمان قرارگیری در معرض گرما (هرچه این مدت زمان بیشتر باشد، هدایت بیشتر خواهد بود).

ضخامت (اینکه گرما تا چه مسافتی در ماده جریان می‌یابد. هر چه ضخامت کمتر باشد، هدایت بیشتر خواهد بود).

ضریب هدایت حرارتی (k)، گرمای انتقال یافته به صورت هدایت می‌باشد که از طریق یک ماده با ضخامت معین و در زمانی معین، هنگامی که سطحی معین از آن در برابر اختلاف دمایی معین قرار رگفته است صورت می‌گیرد. این ضریب، مهمترین واحد اندازه‌گیری گرمای انتقال یافته از طریق هدایت در یک ماده می‌باشد.

ضریب هدایت ویژه شبیه به ضریب هدایت حرارتی می‌باشد با این تفاوت که مقدار آن برای ضخامت خاصی از یک ماده تعریف می‌شود.

ضریب مقاومت حرارتی (R) برابر عکس ضریب هدایت ویژه می‌باشد و واحد آن (hr.ft2.0F)/Btu می‌باشد. این ضریب، واحد معمول‌تریجهت اندازه‌گیری و انتخاب عایق‌بندی برای اجزای ساختمان می‌باشد. هر چه مقدار R بیشتر باشد مقدار عایق‌کنندگی نیز بیشتر خواهد بود. این ضریب، واحد مناسبی بری محاسبه توانایی عایق‌کنندگی مجموعه‌ای ترکیب شده از مصالح ساختمانی می‌باشد؛ مقاومت حرارتی مصالح به سادگی به همدیگر افزوده می‌شوند تا مقاومت حرارتی مجموعه ترکیب شده مصالح بدست آید.

ضریب عبور حرارتی

ضریب عبور حرارتی (U)، واحد مقدار گرمای انتقال یافته از طریق یک ساختمان  در واحد زمان در واحد سطح می‌باشد و مقدار آن برابر با عکس مقدار مجموع R می‌باشد. واحد ضریب عبور حرارتی (U) همانند ضریب هدایت ویژه، Btu/(hr.ft2.0F) می‌باشد. توجه داشته باشید که اگر چه برای محاسبه مقدار R برای کل یک ترکیب، مقدار R مربوط به هر یک از اجزاء را باهم می‌توان جمع نمود با این حال، مقادیر ضریب هدایت ویژه (C) را نمی‌توان باهم جمع نمود تا مقدار ضریب عبور حرارتی (U) محاسبه گردد بلکه به جای آن می‌بایست مقادیر معکوس ضرایب هدایت ویژه را باهم جمع نمود تا مقدار مقاومت حرارتی (R) برای کل ترکیب بدست آید و رد پایان، مقدار معکوس R محاسبه شود تا ضریب عبور حرارتی (U) بدست آید.

ذخیره سازی حرارتی

شیوه بالا در محاسبه دفع هدایتی گرما، اختلاف دما را در مدت زمانی طولانی ثابت فرض می‌کند. اگرچه این مطلوب در عمل به ندرت اتفاق می‌افتد با این حال اگر گرمای نسبتاً کمی در مصالح ذخیره شود، این شیوه هنوز قابل اطمینان خواهد بود و این در حالتی اسن که سازه ساختمان از لحاظ وزنی سبک باشد (برای مثال چوب، فولاد، شیشه). با این وجود مصالحی که دارای جرم زیادی می‌باشند (مثل بتون یا آجر) مقدار زیادی گرما را در حرارتی جداره ساختمان می‌تواند تا حد زیادی عملکرد حرارتی آن را تحت تأثیر قرار دهد.

در مقیاس ساختمانی اگر دمای خارجی ساختمان نسبتاً ثابت باشد ویژگی ذخیره‌سازی حرارتی در مصالح ساختمانی تأثیر ناچیزی بر دمای داخلی ساختمان خواهد داشت. اگر نوسانات دمای روزانه زیاد باشد انتخاب مصالحی با ظرفیت ذخیره‌سازی حرارتی بالا می‌تواند در تثبیت دمای داخلی ساختمان موثر باشد.

تابش

تابش حرارت، انتقال گرما، (انرژی جنبشی مولکولها) از طریق امواج الکترومغناطیسی می‌باشد. وقتی که مولکولها بر روی سطح یک ماده حرکت می‌کنند انرژی تابشی را به شکل تابش الکترومغناطیسی می‌باشد. در این نوع انتقال گرما همانند هدایت، انرژی از ماده گرمتر به ماده سردتر منتقل می‌شود. ولی برخلاف هدایت، دراینجا هیچ واسطه مولکولی مورد نیاز نیست. در واقع، تابش در آسانترین حالت خود در یک خلأ کامل اتفاق می‌افتد. حرکت جنبشی مولکولهای سطح ماده با سرعت نور منتشر می‌شوند (در واقع نظریه کوانتوم نور بیان می‌دارد که نور در بسته‌های کوچک تابشی منتشر می‌شود که فوتون نام دارند و ترکیبی عجیب از موج و ذرات را به نمایش می‌گذارند

تمامی مواد، انرژی را در تمام جهات به صورت تابعی از دمای مطلق سطح می‌تابانند. بنابراین حتی یک سطح سرد نیز انرژی را به سطح گرم می تاباند. با این حال این سطح سرد، انرژی بسیار بیشتری از سطح گرم و دریافت می‌کند. تابش نیز همانند هدایت، مستقل از نیروی گرانش زمین می‌باشد و به طور مساوی در تمامی جهات اتفاق می‌افتد.

دمای یک سطح نه تنها میزان تابش انتشار یافته را تعیین می‌کند بلکه طول امواج (فرکانس) تابش را نیز مشخص می‌سازد.

منطقخ مرئی بخشی از طیف خورشید است که چشم قادر به دیدن آن است و بنابراین برای روشنایی مناسب می‌باشد (4/0 تا 7/0 میکرون). منطقه نزدیک به مادون قرمز، بخش نامرئی در طیف خورشیدی  است (7/0 تا 4 میکرون). طیف کوچک ماورا بنفش نیز نامرئی است (3/0 تا 4/0 میکرون) با این حال از لحاظ معماری تنا به دلیل تأثیر آن بر بی‌رنگ ساختن رنگهای داخلی ساختمان و کاهش رشد گیاهان اهمیت دارد. منطقه دور از مادون قرمز نیز قسمتی نامرئی از طیف خورشیدی است که از فضاهای گرم و دیگر سطوح زیمنی منتشر می‌شود (بزرگتر از 8 تا 50 میکرون).

خصوصیات اپتیکی :

هنگامی که انرژی تابشی به سطحی برخورد می‌کند امکان وقوع سه اتفاق و یا ترکیبی از آنها وجود دارد. این ارنژی می‌تواند جذب و تبدیل به انرژی حرارتی شود و بدین ترتیب سطح دریافت کننده را گدم کند و یا می‌تواند از سطح ماده منعکس شود که در این صورت هیچ گرمایشی انجام نمی‌پذیرد و یااینکه اگر ماده در برابر طول موجهای تابشی شفاف باشد، این انرژی می‌تواند از ماده عبور کرده و منتشر شود. این مقادیر (جذب، انعکاس و عبور) بدون واحد بوده و بین 0 تا 1 تغییر می‌کنند؛ به طوریکه مجموع این مقادیر برای هر ماده باید مساوی با یک باشد. به عبارت دیگر؛ مقدار تابش برخوردی به یک سطح باید همیشه برابر با مجموع تابش جذب شده، انعکاس یافته و عبوری باشد.

اثر گلخانه‌ ای

در یک روز خوب و روشن، جو زمین برای تابش خورشید نسبتاً شفاف است (مخصوصاً در منطقه طیف مرئی ونزدیک به مادون قرمز). امواج تابشی خورشید بعد از عبور از جو به سطوح زمین برخورد می‌کنند ودر این هنگام یا منعکس (حدوداً 20 درصد) ویا جذب می‌شوند (حدوداً 80 درصد). اشعه‌های منعکس شده به همان سهولتی که وارد جو زمین شده بودند از آن خارج می‌شوند، اما اشعه‌های جذب شده تبدیل به گرما شده و سطح جذب کننده را گرم می‌کنند.

جو زمین برای امواج طولانی‌تر دور از مادون قرمز که از سطوح گرم شده توسط خورشید منتشر می‌شوند، نسبتاً کدرتر می‌باشد و به صورت یک «سپرتابشی» درمی‌آید که از تابش گرمای زمین به فضای خارج از آن جلوگیزی می‌کند. این خاصیت، دلیل محیط حرارتی نسبتاً گرم و پایدار جو زمین می‌باشد. مقدار بخار آب هوا تأثیر شگرفی بر اثر گلخانه‌ای دارد. در آب و هوای مرطوب، دماهای روزانه نسبتاً ثابت می‌باشند در حالیکه مناطق کویری به دلیل آنکه می‌توانند گرمای خود را به راحتی از طریق جو خشک زمین به خارج بتابانند، نوسانات زیادی را در دمای روزانه تجربه می‌کنند.