- Former / mekanismer til varmetransmission
- Kørsel
- Konvektion
- Stråling
- Varmeoverførselshastighed
- eksempler
- - Eksempler på varmeledning
- Termisk ledningsevne af materialer
- - Eksempler på konvektionsvarme
- - Eksempler på strålingsvarme
- Træning løst
- Løsning på
- Løsning b
- Referencer
Der sker varmeoverførsel, når energi går fra et organ til et andet på grund af forskellen i temperatur mellem de to. Varmeoverførselsprocessen ophører, så snart temperaturerne på de organer, der er i kontakt, er ens, eller når kontakten mellem dem fjernes.
Mængden af energi, der overføres fra et organ til et andet i et givet tidsrum kaldes overført varme. Den ene krop kan give varme til den anden, eller den kan absorbere den, men varmen går altid fra kroppen med den højeste temperatur til kroppen med den laveste temperatur.
Figur 1. I et bål er der de tre mekanismer til varmeoverførsel: ledning, konvektion og stråling. Kilde: Pixabay.
Varmenhederne er de samme som for energi, og i det internationale målesystem (SI) er det joule (J). Andre hyppigt anvendte varmeenheder er kalorien og BTU.
Med hensyn til de matematiske love, der regulerer varmeoverførsel, afhænger de af mekanismen, der er involveret i udvekslingen.
Når varme ledes fra et legeme til et andet, er den hastighed, hvormed varme udveksles, proportional med temperaturforskellen. Dette er kendt som Fouriers lov om termisk ledningsevne, hvilket fører til Newtons lov om køling.
Former / mekanismer til varmetransmission
Det er måderne, hvorpå varme kan udveksles mellem to kroppe. Tre mekanismer genkendes:
-Driving
-Convection
stråling
I en gryde som den, der er vist på figuren ovenfor, er der disse tre varmeoverførselsmekanismer:
-Metallet i gryden opvarmes hovedsageligt ved ledning.
-Vandet og luften opvarmes og stiger ved konvektion.
-Personer nær potten opvarmes af den udsendte stråling.
Kørsel
Varmeledning forekommer mest i faste stoffer og især i metaller.
F.eks. Overfører ovnen i køkkenet varme til maden inde i gryden gennem ledningsmekanismen gennem metallet i bunden og metalvæggene i beholderen. I termisk ledning er der ingen materialetransport, kun energi.
Konvektion
Konvektionsmekanismen er typisk for væsker og gasser. Disse er næsten altid mindre tæt ved højere temperaturer, af denne grund er der en opadgående transport af varme fra de varmere væskedele til de højere områder med koldere væskedele. I konvektionsmekanismen er der materialetransport.
Stråling
Strålingsmekanismen tillader på sin side varmeudveksling mellem to kroppe, selv når de ikke er i kontakt. Det umiddelbare eksempel er Solen, der varmer Jorden gennem det tomme rum mellem dem.
Alle organer udsender og absorberer elektromagnetisk stråling. Hvis du har to organer ved forskellige temperaturer, selv når de er i et vakuum, når de et stykke tid den samme temperatur på grund af varmeudveksling med elektromagnetisk stråling.
Varmeoverførselshastighed
I termodynamiske systemer i ligevægt er den mængde total varme, der udveksles med miljøet, vigtig, så systemet går fra en ligevægtstilstand til en anden.
På den anden side fokuserer interessen på varmeoverførsel på det forbigående fænomen, når systemerne endnu ikke har nået termisk ligevægt. Det er vigtigt at bemærke, at mængden af varme udveksles i en bestemt periode, dvs. der er en hastighed for varmeoverførsel.
eksempler
- Eksempler på varmeledning
I termisk ledningsevne overføres varmeenergien gennem kollisioner mellem materialets atomer og molekyler, hvad enten dette er fast stof, væske eller gas.
Faststoffer er bedre ledere af varme end gasser og væsker. I metaller er der frie elektroner, der kan bevæge sig gennem metallet.
Da frie elektroner har stor mobilitet, er de i stand til at overføre kinetisk energi gennem kollisioner mere effektivt, hvorfor metal har høj varmeledningsevne.
Fra et makroskopisk synspunkt måles termisk ledningsevne som mængden af overført varme pr. Tidsenhed eller kaloristrøm H:
Figur 2. Varmeledning gennem en stang. Udarbejdet af Fanny Zapata.
Den kaloriske strøm H er proportional med tværsnittet af område A og variationen i temperatur pr. Enhed af længdeafstand.
Denne ligning er anvendt til at beregne den kaloriefattige nuværende H i en bar som den i figur 2, som er mellem to reservoirer af temperaturer T 1 og T 2 henholdsvis hvor T 1 > T 2.
Termisk ledningsevne af materialer
Nedenfor er en liste over varmeledningsevnen for nogle materialer i watt pr. Meter pr. Kelvin: W / (m. K)
Aluminium -------- 205
Kobber --------- 385
Sølv ---------- 400
Stål ---------– 50
Kork eller glasfiber - 0,04
Beton eller glas ----- 0,8
Træ ----- 0,05 til 0,015
Luft --------– 0.024
- Eksempler på konvektionsvarme
Ved varmekonvektion overføres energi på grund af væskens bevægelse, som ved forskellige temperaturer har forskellige densiteter. For eksempel, når vand koges i en gryde, øger vandet i nærheden af bunden sin temperatur, så det udvides.
Denne udvidelse får det varme vand til at stige, mens det kolde går ned for at besætte det rum, der efterlades af det varme vand, der steg op. Resultatet er en cirkulationsbevægelse, der fortsætter, indtil temperaturen på alle niveauer er ens.
Konvektion er det, der bestemmer bevægelsen af store luftmasser i jordens atmosfære og også bestemmer cirkulationen af havstrømme.
- Eksempler på strålingsvarme
I mekanismerne til varmetransmission ved ledning og ved konvektion kræves tilstedeværelsen af et materiale for at varmen skal overføres. Derimod i strålingsmekanismen kan varme passere fra det ene legeme til det andet gennem et vakuum.
Dette er den mekanisme, ved hvilken Solen ved en højere temperatur end Jorden overfører energi til vores planet direkte gennem rumvakuumet. Stråling kommer til os gennem elektromagnetiske bølger.
Alle materialer er i stand til at udsende og absorbere elektromagnetisk stråling. Maksimumet for den udsendte eller absorberede frekvens afhænger af materialets temperatur, og denne frekvens stiger med temperaturen.
Den dominerende bølgelængde i emissionen eller absorptionsspektret af en sort krop følger Wiens lov, der siger, at den dominerende bølgelængde er proportional med det inverse af kropstemperatur.
På den anden side er kraften (i watt), som et legeme udsender eller absorberer varmeenergi med elektromagnetisk stråling, proportional med den fjerde effekt af den absolutte temperatur. Dette er kendt som Stefanus lov:
P = εAσT 4
I ovenstående udtryk σ er Stefan konstant og dens værdi er 5,67 x 10-8 W / m 2 K 4. A er overfladearealet på kroppen og ε er emissiviteten af materialet, en dimensionsløs konstant, hvis værdi er mellem 0 og 1, og afhænger af materialet.
Træning løst
Overvej stangen i figur 2. Antag, at stangen er 5 cm lang, 1 cm i radius og er lavet af kobber.
Stangen er placeret mellem to vægge, der holder temperaturen konstant. Den første væg har en temperatur T1 = 100 ºC, mens den anden er på T2 = 20 ºC. Bestemme:
a.- Værdien af den termiske strøm H
b.- Temperaturen på kobberstangen ved 2 cm, 3 cm og 4 cm fra væggen i temperaturen T1.
Løsning på
Når kobberstangen er placeret mellem to vægge, hvis vægge hele tiden har den samme temperatur, kan det siges, at det er i stabil tilstand. Med andre ord, den termiske strøm H har den samme værdi for ethvert øjeblik.
For at beregne denne strøm anvender vi formlen, der relaterer strømmen H til forskellen i temperaturer og længden af stangen.
Tværsnitsområdet er:
A = πR 2 = 3,14 * (1 × 10 -2 m) 2 = 3,14 x 10 -4 m 2
Temperaturdifferensen mellem enderne af stangen er
ΔT = (100ºC - 20ºC) = (373K - 293K) = 80K
Δx = 5 cm = 5 x 10 -2 m
H = 385 W / (mK) * 3,14 x 10-4 m 2 * (80 K / 5 x 10 -2 m) = 193,4 W
Denne strøm er den samme på ethvert tidspunkt på søjlen og på ethvert tidspunkt, da den stabile tilstand er nået.
Løsning b
I denne del bliver vi bedt om at beregne temperaturen Tp på et punkt P placeret i en afstand Xp fra væggen T 1.
Udtrykket, der giver den kaloriske strøm H ved punkt P er:
Fra dette udtryk kan Tp beregnes ved:
Lad os beregne temperaturen Tp i henholdsvis 2 cm, 3 cm og 4 cm positioner og erstatte numeriske værdier:
- Tp = 340,6 K = 67,6 ° C; 2 cm fra T1
- Tp = 324,4K = 51,4 ° C; 3 cm fra T1
- Tp = 308,2 K = 35,2 ° C; 4 cm fra T1
Referencer
- Figueroa, D. 2005. Series: Physics for Sciences and Engineering. Volumen 5. Væsker og termodynamik. Redigeret af Douglas Figueroa (USB).
- Kirkpatrick, L. 2007. Fysik: Et kig på verden. 6. forkortede udgave. Cengage Learning.
- Lay, J. 2004. General Physics for Engineers. USACH.
- Mott, R. 2006. Fluid Mechanics. 4th. Edition. Pearson Uddannelse.
- Strangeways, I. 2003. Måling af det naturlige miljø. 2nd. Edition. Cambridge University Press.
- Wikipedia. Varmeledningsevne. Gendannet fra: es.wikipedia.com