הגדרה של תופעות תחבורה

דניאלה נטלי דיאז זפדה
MC בהנדסה ביו-רפואית ופיזיקה

המונח תופעות הובלה מתייחס בעיקר לשלושה סוגים של תהליכים: הובלת מומנטום, הובלת אנרגיה והובלת המונים. שלושת תחומי המחקר העיקריים הללו כוללים, בהתאמה, דינמיקה של נוזלים, העברת חום והעברת מסה של מינים כימיים שונים.

חקר תופעות התחבורה הוא יסודי לפיתוח תחומים מדעיים שונים, כולל פיזיקה, כימיה, הנדסת מכונות והנדסה כימית, ועוד רבים אחרים. ראוי להזכיר כי ביסודו של דבר, כל תופעות התחבורה מבססות את התנהגותן על חוקי השימור (חומר ואנרגיה).

תחבורה מומנטום

הובלת מומנטום מתייחסת לחומרים בתנועה, במיוחד לנוזלים. דינמיקת נוזלים אחראית לחקר התהליכים הללו, העוסקת בעקרונות שלפיהם התהליך מתרחש. תנועה של נוזלים בתנאים שונים כגון זרימה דרך צינורות, מערבולות, ערוצים פתוחים, ביניהם אחרים. חקר העברת המומנטום שימושי ביישומים כמו תכנון אווירודינמי וכלי רכב יבשתיים, אפילו במערכות ביולוגיות כמו זרימת דם בגוף האדם.

הובלת אנרגיה

מצד שני, העברת חום היא תהליך בסיסי המתאר כיצד אנרגיה בצורת חום עוברת ממקום אחד לאחר. זה מתרחש תחת שלושה מנגנונים עיקריים, שהם הולכה, הסעה וקרינה. הולכה היא העברת חום במוצק אחד במגע עם אחר, הסעה היא העברת חום דרך של תנועת נוזלים וקרינה היא העברת חום באמצעות גלים אלקטרומגנטיים, כגון גלי מיקרו ו אינפרא אדום.

הבנה כיצד מתרחשת תופעת העברת החום היא חיונית ביישומים כגון תכנון של מחליפי חום, התקני חימום או קירור חדרים, מכשירי מטבח, בין היתר. רבים אחרים.

העברת מסה

העברת מסה מתייחסת למנגנון שבו החומר עובר ממקום אחד לאחר בתוך מערכת מסוימת, בין אם על ידי שינוי פאזה או על ידי תהליכים כימיים המעורבים. כאן מגיע דיפוזיה של תרכובות או מינים כימיים אחרים, כמו מולקולות או יונים, תיאור התגובות המתרחשות בתהליכים מסוימים, כמו אלה פיזיולוגיים, בין היתר. העברת מסה ממלאת תפקיד חשוב בפעולות יחידה, המיושמות בתהליכים תעשייתיים, כגון ספיגה, מיצוי, ייבוש וזיקוק.

ניתן לחקור תופעות תחבורה בזכוכית מגדלת של שלוש רמות שונות, תוך התייחסות לסולמות שונים: מקרוסקופיים, מיקרוסקופיים ומולקולריים. החל מהרמה המקרוסקופית, בה מוצעות משוואות הידועות כאיזון, המתארות כיצד המומנטום, האנרגיה והמסה במערכת מושפעים בשינוי מסוים. השינוי האמור יכול להיות החדרה או הסרה של חלק מהאלמנטים, עקב כניסות של חומר, אנרגיה או זרמים חיצוניים. האיזונים הללו מתמקדים בהבדלים ממצב התחלתי לנקודת זמן שבה התרחש המצב בתהליך, תוך השארת בצד את ההבנה של כל פרטי המערכת. חקר תופעות תחבורה ברמה מקרוסקופית עוזר לנו להבין בעיה מנקודת מבט גלובלית, ובאפליקציות מסוימות, כמו הנדסה, זה כל מה שצריך.

הבא הוא הרמה המיקרוסקופית, שמתחתיה נבחנים אזורים קטנים בתוך המערכת, משוואות המתארות שינוי חלות גם כאן, אבל רק באזור הקטן של לימוד. מטרת המחקר ברמה המיקרוסקופית היא להשיג מידע, מפורט יותר מאשר ברמה המקרוסקופית, כגון טמפרטורה, לחץ ו פרופילי ריכוז, שניתן להקציף לאזורים אחרים כדי לקבל צילום רנטגן מפורט יותר של לימוד. לבסוף, הרמה המולקולרית מבקשת להבין מהיסוד תופעות תחבורה, כלומר כלומר, הבנת מנגנוני המסה, המומנטום והאנרגיה במונחים של כוחות ומבנה מולקולרית. סוגים אלה של מחקרים מאומצים על ידי ענפים מדעיים כמו פיזיקה תיאורטית, כימיה פיזיקלית, ולעתים מאוד הנדסה.

דוגמאות ליישום

יישומים מסוימים של חקר תופעות תחבורה כוללים פתרון תעשייתי, ביולוגי, חקלאות ומטאורולוגיה, אז הבה נזכור שכל התהליכים האלה נשלטים על ידי חוקי שימור החומר אֵנֶרְגִיָה. מהנדסים ומדענים המוקדשים לתחום מחקר זה משתמשים במשוואות למודל של תופעות אלה לחזות את התנהגותו בתנאים שונים, בנוסף לחיפוש אחר דרכים לייעל את התהליכים המנוהלים בשבילם. ליתר דיוק, תהליכים תעשייתיים כמו זיקוק, ייבוש של דגנים ועץ, תהליכי תסיסה לייצור מזון ומשקאות, טיפול במים, כרייה, זיקוק נפט, כולם פותחו וממשיכים להשתכלל הודות ליישום התופעות של תַחְבּוּרָה.