Istnieje wymiana ciepła kiedy energia przechodzi z jednego ciała do drugiego z powodu różnicy temperatur między nimi. Proces wymiany ciepła ustaje, gdy tylko temperatury stykających się ciał wyrównają się lub gdy kontakt między nimi zostanie wyeliminowany..
Nazywa się to ilością energii przekazywanej z jednego ciała do drugiego w danym okresie czasu przenoszone ciepło. Jedno ciało może oddać ciepło drugiemu lub może je pochłonąć, ale ciepło zawsze przechodzi z ciała o najwyższej temperaturze do ciała o najniższej temperaturze..
Jednostki ciepła są takie same jak energii, aw międzynarodowym systemie miar (SI) jest to dżul (J). Inne często używane jednostki ciepła to kaloria i BTU..
Jeśli chodzi o prawa matematyczne, które rządzą wymianą ciepła, zależą one od mechanizmu zaangażowanego w wymianę..
Kiedy ciepło jest przenoszone z jednego ciała do drugiego, szybkość wymiany ciepła jest proporcjonalna do różnicy temperatur. Jest to znane jako Prawo Fouriera przewodności cieplnej, co prowadzi do Prawo chłodzenia Newtona.
Indeks artykułów
Są to sposoby wymiany ciepła między dwoma ciałami. Rozpoznawane są trzy mechanizmy:
-Napędowy
-Konwekcja
-Promieniowanie
W garnku takim jak ten pokazany na powyższym rysunku istnieją trzy mechanizmy wymiany ciepła:
-Metal w garnku jest ogrzewany głównie przez przewodzenie.
-Woda i powietrze nagrzewają się i unoszą w wyniku konwekcji.
-Osoby w pobliżu garnka są ogrzewane przez emitowane promieniowanie.
Przewodzenie ciepła występuje głównie w ciałach stałych, aw szczególności w metalach.
Na przykład piec w kuchni przenosi ciepło do żywności wewnątrz garnka poprzez mechanizm przewodzenia przez metal dna i metalowe ściany pojemnika. W przewodzeniu ciepła nie ma transportu materiałów, tylko energia.
Mechanizm konwekcji jest typowy dla cieczy i gazów. Są one prawie zawsze mniej gęste w wyższych temperaturach, z tego powodu następuje transport ciepła w górę z cieplejszych części płynu do wyższych obszarów z chłodniejszymi częściami płynu. W mechanizmie konwekcji następuje transport materiału.
Ze swojej strony mechanizm promieniowania umożliwia wymianę ciepła między dwoma ciałami, nawet gdy nie są one w kontakcie. Bezpośrednim przykładem jest Słońce, które ogrzewa Ziemię przez pustą przestrzeń między nimi..
Wszystkie ciała emitują i pochłaniają promieniowanie elektromagnetyczne. Jeśli masz dwa ciała w różnych temperaturach, nawet będąc w próżni, po pewnym czasie osiągną one tę samą temperaturę z powodu wymiany ciepła przez promieniowanie elektromagnetyczne.
W układach termodynamicznych będących w równowadze ilość całkowitego ciepła wymienianego z otoczeniem ma znaczenie, tak że układ przechodzi z jednego stanu równowagi do drugiego.
Z drugiej strony w wymianie ciepła zainteresowanie skupia się na zjawisku przejściowym, gdy układy nie osiągnęły jeszcze równowagi termicznej. Ważne jest, aby pamiętać, że ilość ciepła jest wymieniana w pewnym okresie czasu, to znaczy występuje prędkość wymiany ciepła.
W przewodnictwie cieplnym energia cieplna jest przenoszona w wyniku zderzeń między atomami i cząsteczkami materiału, niezależnie od tego, czy jest to ciało stałe, ciecz czy gaz..
Ciała stałe są lepszymi przewodnikami ciepła niż gazy i ciecze. W metalach są wolne elektrony, które mogą poruszać się przez metal.
Ponieważ wolne elektrony mają dużą ruchliwość, są one zdolne do efektywniejszego przekazywania energii kinetycznej poprzez zderzenia, dlatego metale mają wysoką przewodność cieplną..
Z makroskopowego punktu widzenia przewodnictwo cieplne mierzy się jako ilość ciepła przenoszonego na jednostkę czasu lub prąd kaloryczny H:
Prąd kaloryczny H. jest proporcjonalna do przekroju powierzchni DO i zmiany temperatury na jednostkę odległości wzdłużnej.
To równanie jest stosowane do obliczenia prądu kalorycznego H. słupka, takiego jak ten na rysunku 2, który znajduje się między dwoma zbiornikami temperatury T1 Y Tdwa odpowiednio, będąc T1> Tdwa.
Poniżej znajduje się lista przewodności cieplnej niektórych materiałów w watach na metr na kelwin: W / (m. K)
Aluminium -205
Miedź -385
Srebro - 400
Stal -50
Korek lub włókno szklane - 0,04
Beton lub szkło -0,8
Drewno - od 0,05 do 0,015
Powietrze - 0,024
W konwekcji ciepła energia jest przenoszona w wyniku ruchu płynu, który w różnych temperaturach ma różne gęstości. Na przykład, gdy woda jest gotowana w garnku, woda w pobliżu dna podnosi swoją temperaturę, więc rozszerza się.
Ta ekspansja powoduje, że gorąca woda podnosi się, podczas gdy zimna opada, aby zająć przestrzeń pozostawioną przez gorącą wodę, która wzrosła. Rezultatem jest ruch cyrkulacyjny, który trwa aż do wyrównania temperatur na wszystkich poziomach..
Konwekcja decyduje o ruchu dużych mas powietrza w atmosferze ziemskiej, a także o cyrkulacji prądów morskich..
W mechanizmach przenoszenia ciepła przez przewodzenie i konwekcję do przekazywania ciepła wymagana jest obecność materiału. Z drugiej strony w mechanizmie promieniowania ciepło może przechodzić z jednego ciała do drugiego poprzez próżnię..
Jest to mechanizm, za pomocą którego Słońce, w wyższej temperaturze niż Ziemia, przekazuje energię do naszej planety bezpośrednio przez próżnię kosmiczną. Promieniowanie dociera do nas poprzez fale elektromagnetyczne.
Wszystkie materiały mogą emitować i absorbować promieniowanie elektromagnetyczne. Maksymalna częstotliwość emitowana lub pochłaniana zależy od temperatury materiału i częstotliwość ta rośnie wraz z temperaturą..
Dominująca długość fali w widmie emisji lub absorpcji ciała czarnego jest zgodna z Prawo wiedeńskie, który stwierdza, że dominująca długość fali jest proporcjonalna do odwrotności temperatury ciała.
Z drugiej strony moc (w watach), z jaką ciało emituje lub absorbuje energię cieplną przez promieniowanie elektromagnetyczne, jest proporcjonalna do czwartej potęgi temperatury bezwzględnej. Jest to znane jako prawo Stefana:
P = εAσT4
W powyższym wyrażeniu σ jest stałą Stefana, a jej wartość to 5,67 x 10-8 W / mdwa K.4. DO to powierzchnia ciała i ε jest emisyjnością materiału, bezwymiarową stałą, której wartość wynosi od 0 do 1 i zależy od materiału.
Rozważmy pręt na rysunku 2. Załóżmy, że pręt ma 5 cm długości, 1 cm promienia i jest wykonany z miedzi..
Drążek umieszczony jest między dwiema ścianami, które utrzymują stałą temperaturę. Pierwsza ściana ma temperaturę T1 = 100ºC, podczas gdy druga ma temperaturę T2 = 20ºC. Określać:
a. - Wartość prądu cieplnego H
b.- Temperatura pręta miedzianego na 2 cm, 3 cm i 4 cm od ściany temperatury T1.
Ponieważ pręt miedziany jest umieszczony między dwiema ścianami, których ściany przez cały czas utrzymują tę samą temperaturę, można powiedzieć, że jest w stanie ustalonym. Oznacza to, że prąd termiczny H ma tę samą wartość w każdej chwili.
Aby obliczyć ten prąd, stosujemy wzór, który wiąże prąd H z różnicą temperatur i długością pręta.
Pole przekroju poprzecznego to:
A = πRdwa = 3,14 * (1 × 10-dwam)dwa = 3,14 x 10-4 mdwa
Różnica temperatur między końcami pręta wynosi
ΔT = (100ºC - 20ºC) = (373K - 293K) = 80K
Δx = 5 cm = 5 x 10-dwa m
W = 385 W / (m K) * 3,14 x 10-4 mdwa * (80K / 5 x 10-dwa m) = 193,4 W.
Prąd ten jest taki sam w każdym miejscu na pręcie iw każdej chwili, od momentu osiągnięcia stanu ustalonego..
W tej części jesteśmy proszeni o obliczenie temperatury Tp w pewnym momencie P. znajduje się w pewnej odległości Xp względem ściany T1.
Wyrażenie określające prąd kaloryczny H. na temat P. to jest:
H = k A (T.1 -Tp) / (Xp)
Z tego wyrażenia można obliczyć Tp przez:
Tp = T.1 - (H Xp) / (k A) = 373 K - (193,4 W / (385 W / (m K)) 3,14 x 10-4 mdwa)) * Xp
Tp = 373 K - 1620,4 (K / m) * Xp
Obliczmy temperaturę Tp odpowiednio w pozycjach 2 cm, 3 cm i 4 cm, podstawiając wartości liczbowe:
Jeszcze bez komentarzy