PRZENIKANIE CIEPŁA: PRAWA, FORMY TRANSMISJI, PRZYKŁADY - FIZYCZNY - 2026

Wymiana ciepła następuje, gdy energia przechodzi z jednego ciała do drugiego z powodu różnicy temperatur między nimi. Proces wymiany ciepła ustaje, gdy tylko temperatury stykających się ciał są równe lub gdy kontakt między nimi zostaje usunięty.

Ilość energii przekazywanej z jednego ciała do drugiego w danym okresie nazywana jest ciepłem przenoszonym. Jedno ciało może oddawać ciepło drugiemu lub może je pochłaniać, ale ciepło zawsze przechodzi z ciała o najwyższej temperaturze do ciała o najniższej temperaturze.

Rysunek 1. W ognisku istnieją trzy mechanizmy wymiany ciepła: przewodzenie, konwekcja i promieniowanie. Źródło: Pixabay.

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 rządzące wymianą ciepła, zależą one od mechanizmu uczestniczącego w wymianie.

Kiedy ciepło jest przenoszone z jednego ciała do drugiego, szybkość wymiany ciepła jest proporcjonalna do różnicy temperatur. Jest to znane jako prawo przewodnictwa cieplnego Fouriera, które prowadzi do prawa chłodzenia Newtona.

Formy / mechanizmy przenoszenia ciepła

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 są podgrzewane i unoszone przez konwekcję.

-Ludzie w pobliżu garnka są ogrzewani przez emitowane promieniowanie.

Napędowy

Przewodzenie ciepła występuje głównie w ciałach stałych, a zwłaszcza w metalach.

Na przykład piec w kuchni przenosi ciepło do żywności znajdującej się w garnku poprzez mechanizm przewodzenia przez metal dna i metalowe ściany pojemnika. W przewodzeniu ciepła nie ma transportu materiałów, tylko energia.

Konwekcja

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.

Promieniowanie

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.

Szybkość wymiany ciepła

W równowagowych układach termodynamicznych 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 określonym czasie, to znaczy występuje prędkość wymiany ciepła.

Przykłady

- Przykłady przewodzenia ciepła

W przewodnictwie cieplnym energia cieplna jest przenoszona poprzez zderzenia 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:

Rysunek 2. Przewodzenie ciepła przez pręt. Przygotowane przez Fanny Zapata.

Prąd kaloryczny H jest proporcjonalny do przekroju powierzchni A i zmiany temperatury na jednostkę odległości wzdłużnej.

To równanie stosuje się do obliczenia prądu kalorycznego H pręta takiego jak na rysunku 2, który znajduje się między dwoma zbiornikami temperatur odpowiednio T ₁ i T ₂ , gdzie T ₁ > T ₂ .

Przewodnictwo cieplne materiałów

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 ----- 0,05 do 0,015

Powietrze --------– 0,024

- Przykłady ciepła konwekcyjnego

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 na dnie 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.

- Przykłady ciepła promieniowania

W mechanizmach przenoszenia ciepła przez przewodzenie i konwekcję do przekazywania ciepła wymagana jest obecność materiału. Natomiast w mechanizmie promieniowania ciepło może przechodzić z jednego ciała do drugiego poprzez próżnię.

Jest to mechanizm, dzięki któremu Słońce, w wyższej temperaturze niż Ziemia, przekazuje energię do naszej planety bezpośrednio przez próżnię kosmiczną. Promieniowanie dociera do nas przez fale elektromagnetyczne.

Wszystkie materiały są w stanie emitować i pochłaniać 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 doskonale czarnego jest zgodna z prawem Wiednia, które mówi, 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 = εAσT ⁴

W powyższym wyrażeniu σ jest stałą Stefana i jej wartość wynosi 5,67 x 10-8 W / m ² K ⁴ . A jest polem powierzchni ciała, a ε jest emisyjnością materiału, bezwymiarową stałą, której wartość mieści się w przedziale od 0 do 1 i zależy od materiału.

Ćwiczenie rozwiązane

Rozważmy pręt na rysunku 2. Załóżmy, że pręt ma 5 cm długości, 1 cm promienia i jest wykonany z miedzi.

Pasek jest umieszczony 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 o temperaturze T1.

Rozwiązanie

Ponieważ pręt miedziany jest umieszczony między dwiema ścianami, których ściany przez cały czas utrzymują tę samą temperaturę, można powiedzieć, że jest w stanie ustalonym. Innymi słowy, 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 = πR ² = 3,14 * (1 x 10 ^-2 m) ² = 3,14 x 10 ^-4 m ²

Różnica temperatur między końcami pręta wynosi

ΔT = (100ºC - 20ºC) = (373K - 293K) = 80K

Δx = 5 cm = 5 x ^10-2 m

H = 385 W / (m K) * 3,14 x 10 ^-4 m ² * (80K / 5 x 10 ^-2 m) = 193,4 W

Ten prąd jest taki sam w każdym miejscu na pręcie iw każdej chwili, od momentu osiągnięcia stanu ustalonego.

Rozwiązanie b

W tej części jesteśmy proszeni o obliczenie temperatury Tp w punkcie P znajdującym się w odległości Xp od ściany T ₁ .

Wyrażenie określające prąd kaloryczny H w punkcie P to:

Na podstawie tego wyrażenia Tp można obliczyć:

Obliczmy temperaturę Tp odpowiednio w pozycjach 2 cm, 3 cm i 4 cm, podstawiając wartości liczbowe:

• Tp = 340,6 K = 67,6 ° C; 2 cm od T1
• Tp = 324,4 K = 51,4 ° C; 3 cm od T1
• Tp = 308,2 K = 35,2 ° C; 4 cm od T1

Bibliografia

1. Figueroa, D. 2005. Seria: Physics for Sciences and Engineering. Tom 5. Płyny i termodynamika. Pod redakcją Douglasa Figueroa (USB).
2. Kirkpatrick, L. 2007. Fizyka: spojrzenie na świat. 6. wydanie skrócone. Cengage Learning.
3. Lay, J. 2004. Fizyka ogólna dla inżynierów. USACH.
4. Mott, R. 2006. Mechanika płynów. 4. Wydanie. Edukacja Pearson.
5. Strangeways, I. 2003. Pomiar środowiska naturalnego. 2nd. Wydanie. Cambridge University Press.
6. Wikipedia. Przewodność cieplna. Odzyskany z: es.wikipedia.com