Varmeoverføringslover, overføringsformer, eksempler

Eksisterer varmeoverføring Når energi går fra en kropp til en annen på grunn av temperaturforskjellen mellom de to. Varmeoverføringsprosessen opphører så snart temperaturene til kroppene i kontakt blir utjevnet, eller når kontakten mellom dem er undertrykt.

Mengden energi som overføres fra en kropp til et annet i en viss periode kalles Varme overført. En kropp kan gi varme til en annen, eller den kan absorbere den, men varmen går alltid fra den høyeste temperaturkroppen til den laveste temperaturen.

Figur 1. I et bål er de tre mekanismene for varmeoverføring gitt: kjøring, konveksjon og stråling. Kilde: Pixabay.

Varmeenhetene er de samme som for energi og i det internasjonale tiltakssystemet (SI) er Joule (J). Andre ofte brukte varmeenheter er kalori og BTU. 

Når det gjelder de matematiske lovene som styrer varmeoverføring, avhenger disse av mekanismen som griper inn i utvekslingen. 

Når varme blir utført fra en kropp til et annet, er hastigheten som varme byttes ut proporsjonal med temperaturdifferensialet. Dette er kjent som Fouriers lov av termisk ledningsevne, noe som fører til Newton kjølelov.

[TOC]

Skjemaer/varmeoverføringsmekanismer

De er måtene varme kan byttes mellom to kropper. Tre mekanismer blir gjenkjent:

-Kjøring

-Konveksjon

-Stråling

I en gryte som den som er vist på figuren over, er det disse tre varmeoverføringsmekanismene:

-Metallet i potten er hovedsakelig oppvarmet ved å kjøre.

-Vann og luftvarme og oppstigning ved konveksjon.

-Mennesker nær potten blir oppvarmet av den utsendte strålingen.

Kjøring

Varmeledning forekommer mest i faste stoffer og spesielt i metaller.

For eksempel overfører kjøkkenhornet varme til mat inne i gryten gjennom metallkjøringsmekanismen og metallveggene i beholderen. Ved termisk ledning er det ingen materialtransport, bare energi.

Konveksjon

Konveksjonsmekanismen er typisk for væsker og gasser. Nesten alltid er disse mindre tette ved en høyere temperatur, av denne grunn er det en varmetransport i stigende forstand av den hotteste væsken til de høye regionene med den kaldeste væsken. I konveksjonsmekanismen er det materiell transport. 

Kan tjene deg: ustabil balanse: konsept og eksempler

Stråling

For sin del 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 kropper avgir og absorberer elektromagnetisk stråling. Hvis du har to kropper ved forskjellige temperaturer, til og med å være i et vakuum, vil de etter en stund nå samme temperatur på grunn av kaloriutvekslingen av elektromagnetisk stråling.

Kalori overføringshastighet

I de termodynamiske systemene i balanse importerer det mengden total varme som er utvekslet med miljøet, slik at systemet passerer fra en likevekt til en annen.

På den annen side, varmeoverføring, fokuserer interessen på det forbigående fenomenet, når systemer ennå ikke har nådd termisk balanse. Det er viktig å merke seg at mengden varme byttes ut i en viss periode, det vil si at det er en varmeoverføringshastighet.

Eksempler

- Eksempler på varmekjøring

I termisk ledningsevne overføres varmeenergien ved kollisjoner mellom atomene og molekylene i materialet, enten dette faste stoffet, væsken eller gassen. 

Faststoff er bedre varmepedisører enn gasser og væsker. I metaller er det gratis elektroner som kan bevege seg rundt metall.

Ettersom frie elektroner har stor mobilitet, er de i stand til å overføre kinetisk energi ved kollisjoner mer effektivt, så metaller har høy termisk ledningsevne.

Fra det makroskopiske synspunktet måles termisk ledningsevne som mengden varme som overføres per tidsenhet, eller kalori strøm h:

Figur 2. Varmeledning gjennom en stolpe. Utarbeidet av Fanny Zapata.

Kalori strømmen H er proporsjonalt med tverrsnitt TIL og til temperaturvariasjonen per enhet med langsgående avstand.

Den forrige formelen er kjent som Fouriers lov og proporsjonalitetskonstanten k Det er varmeledningsevne. 

Denne ligningen blir brukt for å beregne kaloristrømmen H av en stolpe som den i figur 2, som er mellom to temperaturreservoarer T₁ og T₂ henholdsvis å være T₁> T₂.

Termiske konduktiviteter av materialer

Nedenfor er det en liste over den termiske konduktiviteten til noen wattmaterialer på Kelvin: w/(m . K) 

Kan tjene deg: Galileo Galilei og hans frie falllov

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

- Varmeeksempler ved konveksjon

Ved varmekonveksjon overføres energi på grunn av bevegelsen av væsken, som ved forskjellige temperaturer har forskjellige tettheter. For eksempel, når kokende vann i en gryte, øker vann nær bunnen temperaturen, så det utvider seg.

Denne utvidelsen får varmt vann til å stige, mens det kalde lavt for å okkupere plassen som er igjen av det varme vannet som klatret. Resultatet er en sirkulasjonsbevegelse som fortsetter til temperaturen på alle nivåer er like.

Konveksjonen er den som bestemmer bevegelsen av de store luftmassene i jordens atmosfære og bestemmer også sirkulasjonen av marine strømmer.

- Varmeeksempler ved stråling

I mekanismene for varmeoverføring ved ledning og konveksjon, kreves tilstedeværelsen av et materiale slik at varmen overføres. På den annen side, i strålingsmekanismen kan varmen passere fra en kropp til et annet gjennom tomrommet.

Dette er mekanismen som solen, ved en høyere temperatur enn jorden, overfører energi til planeten vår direkte av tomheten i rommet. Stråling når oss med elektromagnetiske bølger.

Alle materialer er i stand til å avgi og absorbere elektromagnetisk stråling. Maksimal frekvens som sendes ut eller absorbert, avhenger av temperaturen på materialet og nevnte frekvens vokser med temperaturen.

Den dominerende bølgelengden i utslipps- eller absorpsjonsspekteret til en svart kropp følger Wien lov, som slår fast at den dominerende bølgelengden er proporsjonal med det inverse av kroppstemperaturen.

På den annen side er kraften (i watt) som en kropp avgir eller absorberer kalorienergi med elektromagnetisk stråling proporsjonal med den fjerde kraften i absolutt temperatur. Dette er kjent som Stefan Law:

P = εaσt⁴

I forrige uttrykk σ Det er Stefans konstante og verdien er 5,67 x 10-8 w/m² K⁴. TIL Det er området på kroppsoverflaten og ε Det er emissiviteten til materialet, en konstant uten dimensjoner hvis verdi er mellom 0 og 1, og avhenger av materialet.

Kan tjene deg: Isobarisk prosess: Formler, ligninger, eksperimenter, øvelser

Trening løst

Tenk på linjen i figur 2. Anta at baren er 5 cm lang, 1 cm radius og den er kobber.

Stangen er plassert mellom to vegger som opprettholder den konstante temperaturen. Den første veggen har en temperatur T1 = 100 ºC, mens den andre er ved T2 = 20 ºC. Fastslå:

til.- Verdien av termisk strøm h

b.- Temperaturen på kobberstangen ved 2 cm, 3 cm og 4 cm fra temperaturveggen T1.

Løsning på

Siden kobberstangen er plassert mellom to vegger hvis vegger til enhver tid opprettholder samme temperatur, kan det sies at det er i det stasjonære regimet. Det vil si at den termiske strømmen h har samme verdi for ethvert øyeblikk.

For å beregne denne strømmen bruker vi formelen som relaterer strømmen til temperaturforskjellen og lengden på stangen.

Siden stangen er kobber, vet vi i tabellen tidligere vist at dens termiske konduktivitet K -kupong: 385 w/(m k).

Tverrsnittet er:

A = πr² = 3.14*(1 × 10^-2m)² = 3,14 x 10^-4 m²

Temperaturforskjellen mellom endene av stangen er

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

Δx = 5 cm = 5 x 10^-2 m

H = 385 w/(m k) * 3,14 x 10^-4 m² * (80K /5 x 10^-2 m) = 193.4 w

Denne strømmen er den samme når som helst i baren og når som helst, siden det stasjonære regimet er nådd.

Løsning b

I denne delen blir vi bedt om å beregne temperaturen Tp på et tidspunkt P Ligger i en avstand Xp Angående veggen T₁.

Uttrykket som gir kalori strømmen H på punktet P 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 m²))*XP

TP = 373 K - 1620,4 (K/M) * XP

La oss beregne temperaturen Tp I posisjoner 2 cm, 3 cm og 4 cm, og erstatter numeriske verdier:

• Tp = 340,6k = 67,6 ºC; 2 cm fra T1
• Tp = 324,4K = 51,4 ºC; 3 cm fra T1
• Tp = 308,2k = 35,2 ºC; 4 cm fra T1

Referanser

1. Figueroa, d. 2005. Serier: Fysikk for vitenskap og ingeniørfag. Volum 5. Væsker og termodynamikk. Redigert av Douglas Figueroa (USB).
2. Kirkpatrick, l. 2007. Fysikk: En titt på verden. 6. forkortet utgave. Cengage Learning.
3. Lay, J. 2004. Generell fysikk for ingeniører. Usach.
4. Mott, r. 2006. Væskemekanikk. 4. plass. Utgave. Pearson Education. 
5. Strangeways, i. 2003. Måling av det naturlige miljøet. 2. Utgave. Cambridge University Press.
6. Wikipedia. Termisk ledningsevne. Gjenopprettet fra: er.Wikipedia.com