Eksisterer varmeoverføring når energi går fra en kropp til en annen på grunn av forskjellen i temperatur mellom de to. Varmeoverføringsprosessen opphører så snart temperaturene til kroppene i kontakt utjevnes eller når kontakten mellom dem elimineres..
Mengden energi overført fra en kropp til en annen i en gitt tidsperiode kalles varme overført. En kropp kan gi varme til en annen, eller den kan absorbere den, men varmen går alltid fra kroppen med høyest temperatur til den med lavest temperatur..
Enhetene til varme er de samme som energi og i det internasjonale målesystemet (SI) er det joule (J). Andre ofte brukte varmeenheter er kalorien og BTU..
Når det gjelder de matematiske lovene som styrer varmeoverføring, avhenger de av mekanismen som er involvert i utvekslingen..
Når varme ledes fra ett legeme til et annet, er hastigheten som varmeutvekslingen er proporsjonal med temperaturdifferansen. Dette er kjent som Fouriers lov av varmeledningsevne, noe som fører til Newtons lov om kjøling.
Artikkelindeks
Det er måtene varme kan utveksles mellom to kropper. Tre mekanismer er anerkjent:
-Kjøring
-Konveksjon
-Stråling
I en gryte som den som er vist i figuren ovenfor, er det disse tre varmeoverføringsmekanismene:
-Metallet i gryten varmes primært opp av ledning.
-Vann og luft varmes opp og stiger ved konveksjon.
-Mennesker i nærheten av gryten blir varmet opp av strålingen.
Varmeledning forekommer hovedsakelig i faste stoffer og spesielt i metaller.
For eksempel overfører ovnen på kjøkkenet varmen til maten inne i gryten gjennom ledningsmekanismen gjennom metallet på bunnen og metallveggene i beholderen. I termisk ledning er det ingen materialtransport, bare energi.
Konveksjonsmekanismen er typisk for væsker og gasser. Disse er nesten alltid mindre tette ved høyere temperaturer. Av denne grunn er det en oppadgående varmetransport fra de varmere væskedelene til de høyere områdene med kaldere væskedel. I konveksjonsmekanismen er det materialtransport.
På sin side tillater strålingsmekanismen varmeutveksling mellom to kropper selv når de ikke er i kontakt. Det umiddelbare eksemplet er solen, som varmer jorden gjennom det tomme rommet mellom de to..
Alle legemer avgir og absorberer elektromagnetisk stråling. Hvis du har to kropper ved forskjellige temperaturer, til og med i vakuum, vil de etter en stund nå samme temperatur på grunn av varmeutveksling ved elektromagnetisk stråling.
I termodynamiske systemer i likevekt har mengden total varme som utveksles med miljøet betydning, slik at systemet går fra en likevektstilstand til en annen.
På den annen side, i varmeoverføring, er interessen fokusert på det forbigående fenomenet, når systemene ennå ikke har nådd termisk likevekt. Det er viktig å merke seg at mengden varme byttes ut i en viss tidsperiode, det vil si at det er en hastighet på varmeoverføring.
I termisk ledningsevne overføres varmeenergien gjennom kollisjoner mellom atomene og molekylene i materialet, enten det er fast, flytende eller gass..
Tørrstoffer er bedre varmeledere enn gasser og væsker. I metaller er det frie elektroner som kan bevege seg gjennom metallet.
Ettersom frie elektroner har stor mobilitet, er de i stand til å overføre kinetisk energi gjennom kollisjoner mer effektivt, det er derfor metaller har høy varmeledningsevne..
Fra et makroskopisk synspunkt måles termisk ledningsevne som mengden overført varme per tidsenhet, eller kaloristrøm H:
Kaloriestrøm H er proporsjonal med tverrsnitt av arealet TIL og temperaturvariasjonen per enhet av lengdeavstand.
Denne ligningen brukes for å beregne kaloristrømmen H av en stang som den i figur 2, som er mellom to temperaturmagasiner T1 Y Tto henholdsvis å være T1> Tto.
Nedenfor er en liste over varmeledningsevnen til noen materialer i watt per meter per kelvin: W / (m. K)
Aluminium -205
Kobber -385
Sølv --400
Stål -50
Kork eller glassfiber - 0,04
Betong eller glass -0,8
Tre- 0,05 til 0,015
Luft - 0,024
Ved varmekonveksjon overføres energi på grunn av væskens bevegelse, som ved forskjellige temperaturer har forskjellige tettheter. For eksempel når vann kokes i en gryte, øker vannet nær bunnen temperaturen, slik at det utvides.
Denne utvidelsen får varmtvannet til å stige, mens det kalde går ned for å oppta plassen som er igjen av det varme vannet som steg. Resultatet er en sirkulasjonsbevegelse som fortsetter til temperaturene på alle nivåer utjevner seg..
Konveksjon er det som bestemmer bevegelsen av store luftmasser i jordens atmosfære og også bestemmer sirkulasjonen av marine strømmer..
I mekanismene for varmeoverføring ved ledning og ved konveksjon, er tilstedeværelsen av et materiale nødvendig for at varmen skal overføres. På den annen side, i strålingsmekanismen, kan varme passere fra en kropp til en annen gjennom et vakuum..
Dette er mekanismen der solen, ved en høyere temperatur enn jorden, overfører energi til planeten vår direkte gjennom vakuumet i rommet. Stråling når oss gjennom elektromagnetiske bølger.
Alle materialer er i stand til å avgi og absorbere elektromagnetisk stråling. Maksimum av den utsendte eller absorberte frekvensen avhenger av temperaturen på materialet, og denne frekvensen øker med temperaturen..
Den dominerende bølgelengden i emisjons- eller absorpsjonsspekteret til et svartlegeme følger Wien lov, som sier at den dominerende bølgelengden er proporsjonal med det inverse av kroppstemperaturen.
På den annen side er kraften (i watt) som kroppen avgir eller absorberer varmeenergi ved hjelp av elektromagnetisk stråling proporsjonal med den fjerde effekten av den absolutte temperaturen. Dette er kjent som stefans lov:
P = εAσT4
I ovenstående uttrykk σ er Stefans konstant og verdien er 5,67 x 10-8 W / mto K4. TIL er kroppens overflate og ε er materialets emissivitet, en dimensjonsløs konstant hvis verdi er mellom 0 og 1, og avhenger av materialet.
Tenk stangen i figur 2. Anta at stangen er 5 cm lang, 1 cm i radius og laget av kobber..
Stangen er plassert mellom to vegger som holder konstant temperatur. Den første veggen har en temperatur T1 = 100 ° C, mens den andre er ved T2 = 20 ° C. Fastslå:
a. - Verdien av den termiske strømmen H
b.- Temperaturen på kobberstangen 2 cm, 3 cm og 4 cm fra temperaturveggen T1.
Ettersom kobberstangen er plassert mellom to vegger som til enhver tid holder samme temperatur, kan det sies at den er i jevn tilstand. Det vil si at den termiske strømmen H har samme verdi for ethvert øyeblikk.
For å beregne denne strømmen bruker vi formelen som relaterer strøm H med forskjellen i temperaturer og lengden på stolpen.
Tverrsnittsarealet er:
A = πRto = 3,14 * (1 × 10-tom)to = 3,14 x 10-4 mto
Temperaturforskjellen mellom endene på stangen er
ΔT = (100 ° C - 20 ° C) = (373K - 293K) = 80K
Δx = 5 cm = 5 x 10-to m
H = 385 W / (m K) * 3,14 x 10-4 mto * (80K / 5 x 10-to m) = 193,4 W
Denne strømmen er den samme når som helst på baren og når som helst, siden jevn tilstand er nådd..
I denne delen blir vi bedt om å beregne temperaturen Tp på et tidspunkt P ligger på avstand Xp relativt til veggen T1.
Uttrykket som gir kaloriestrømmen H på poenget P Det er:
H = k A (T1 -Tp) / (Xp)
Fra dette uttrykket kan det beregnes Tp gjennom:
Tp = T1 - (H Xp) / (k A) = 373 K - (193,4 W / (385 W / (m K) 3,14 x 10-4 mto)) * Xp
Tp = 373 K - 1620,4 (K / m) * Xp
La oss beregne temperaturen Tp i henholdsvis 2 cm, 3 cm og 4 cm posisjon, og erstatter numeriske verdier:
Ingen har kommentert denne artikkelen ennå.