Eksisterer varmeoverførsel når energi går fra en krop til en anden på grund af forskellen i temperatur mellem de to. Varmeoverførselsprocessen ophører, så snart temperaturerne på legemerne i kontakt udjævnes, eller når kontakten mellem dem elimineres..
Den mængde energi, der overføres fra en krop til en anden i en given tidsperiode kaldes varme overført. Et legeme kan give varme til et andet, eller det kan absorbere det, men varmen går altid fra kroppen med den højeste temperatur til den med den laveste temperatur..
Enhederne til varme er de samme som energi og i det internationale målesystem (SI) er det joule (J). Andre hyppigt anvendte varmeenheder er kalorien og BTU..
Hvad angår de matematiske love, der styrer 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 af varmeledningsevne, hvilket fører til Newtons kølingslov.
Artikelindeks
Det er måder hvorpå varme kan udveksles mellem to kroppe. Tre mekanismer anerkendes:
-Kørsel
-Konvektion
-Stråling
I en gryde som den, der er vist i figuren ovenfor, er der disse tre varmeoverførselsmekanismer:
-Metallet i gryden opvarmes primært ved ledning.
-Vand og luft opvarmes og stiger ved konvektion.
-Folk i nærheden af gryden opvarmes af den udsendte stråling.
Varmeledning forekommer mest i faste stoffer og især i metaller.
For eksempel overfører ovnen i køkkenet varme til maden inde i gryden gennem ledningsmekanismen gennem metalbunden og beholderens metalvægge. Under varmeledning er der ingen materialetransport, kun energi.
Konvektionsmekanismen er typisk for væsker og gasser. Disse er næsten altid mindre tætte ved højere temperaturer. Af denne grund er der en opadgående transport af varme fra de varmere væskedele til de højere regioner med koldere væskedele. I konvektionsmekanismen er der materialetransport.
På sin side tillader strålingsmekanismen varmeudveksling mellem to kroppe, selv når de ikke er i kontakt. Det umiddelbare eksempel er Solen, som opvarmer jorden gennem det tomme rum mellem de to..
Alle kroppe udsender og absorberer elektromagnetisk stråling. Hvis du har to legemer ved forskellige temperaturer, selv i vakuum, når de efter et stykke tid den samme temperatur på grund af varmeudveksling ved hjælp af elektromagnetisk stråling.
I termodynamiske systemer i ligevægt betyder mængden af total varme, der udveksles med miljøet, noget, så systemet passerer fra en ligevægtstilstand til en anden.
På den anden side er interessen for varmeoverførsel fokuseret 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 på varmeoverførslen.
Ved varmeledningsevne overføres varmeenergien gennem kollisioner mellem materialets atomer og molekyler, hvad enten det er fast, flydende eller gas..
Tørstof er bedre varmeledere 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, det er derfor, metaller har høj varmeledningsevne..
Fra et makroskopisk synspunkt måles varmeledningsevne som den mængde varme, der overføres pr. Tidsenhed eller kaloristrøm H:
Kaloriestrøm H er proportional med tværsnit af arealet TIL og temperaturvariationen pr. enhed af længdeafstand.
Denne ligning anvendes til at beregne kaloriestrømmen H af en stang som den i figur 2, som er mellem to temperaturreservoirer T1 Y Tto henholdsvis være T1> Tto.
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
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 nær bunden temperaturen, så det udvides.
Denne udvidelse får det varme vand til at stige, mens det kolde går ned for at optage det rum, der er tilbage af det varme vand, der steg. Resultatet er en cirkulationsbevægelse, der fortsætter, indtil temperaturen på alle niveauer udjævnes..
Konvektion er det, der bestemmer bevægelsen af store luftmasser i jordens atmosfære og også bestemmer cirkulationen af havstrømme..
I mekanismerne for varmetransmission ved ledning og ved konvektion kræves tilstedeværelsen af et materiale for at varmen skal overføres. På den anden side kan varme i strålingsmekanismen passere fra et legeme til et andet gennem et vakuum..
Dette er den mekanisme, hvormed solen ved en højere temperatur end Jorden transmitterer energi til vores planet direkte gennem rumets vakuum. Stråling når os gennem elektromagnetiske bølger.
Alle materialer er i stand til at udsende og absorbere elektromagnetisk stråling. Det maksimale af den udsendte eller absorberede frekvens afhænger af materialets temperatur, og denne frekvens stiger med temperaturen..
Den dominerende bølgelængde i emissionen eller absorptionsspektret for et sort legeme følger Wien-loven, som siger, at den overvejende bølgelængde er proportional med det inverse af kropstemperaturen.
På den anden side er kraften (i watt), hvormed et legeme udsender eller absorberer varmeenergi ved hjælp af elektromagnetisk stråling, proportional med den fjerde effekt af den absolutte temperatur. Dette er kendt som stefans lov:
P = εAσT4
I ovenstående udtryk σ er Stefans konstant, og dens værdi er 5,67 x 10-8 W / mto K4. TIL er kroppens overfladeareal og ε er materialets emissivitet, en dimensionsløs konstant, hvis værdi er mellem 0 og 1, og afhænger af materialet.
Overvej stangen i figur 2. Antag, at stangen er 5 cm lang, 1 cm i radius og lavet af kobber..
Stangen er placeret mellem to vægge, der opretholder sin konstante temperatur. Den første væg har en temperatur T1 = 100 ° C, mens den anden er ved T2 = 20 ° C. Bestemme:
a. - Værdien af den termiske strøm H
b.- Kobberstangens temperatur er 2 cm, 3 cm og 4 cm fra temperaturvæggen T1.
Da kobberstangen er placeret mellem to vægge, hvis vægge altid har samme temperatur, kan det siges, at den er i en stabil tilstand. Det vil sige, den termiske strøm H har den samme værdi i ethvert øjeblik.
For at beregne denne strøm anvender vi formlen, der relaterer strømmen H med temperaturforskellen og bjælkens længde.
Tværsnitsarealet er:
A = πRto = 3,14 * (1 × 10-tom)to = 3,14 x 10-4 mto
Temperaturforskellen mellem enderne af 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 strøm er den samme på ethvert tidspunkt på bjælken og på ethvert tidspunkt, da stabil tilstand er nået..
I denne del bliver vi bedt om at beregne temperaturen Tp på et tidspunkt P placeret på afstand Xp i forhold til væggen T1.
Det udtryk, der giver den kaloriske strøm H på det punkt P det er:
H = k A (T1 -Tp) / (Xp)
Fra dette udtryk kan det beregnes Tp igennem:
Tp = T.1 - (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
Lad os beregne temperaturen Tp i henholdsvis 2 cm, 3 cm og 4 cm position, der erstatter numeriske værdier:
Endnu ingen kommentarer