Rodzaje przesyłu ciepła: współczynnik przenikania ciepła

Biznes

Wszelkie materialne ciało ma takiecharakterystyczne jak ciepło, które może wzrastać i maleć. Ciepło nie jest substancją materialną: jako część wewnętrznej energii materii powstaje z ruchu i interakcji cząsteczek. Ponieważ ciepło różnych substancji może się różnić, następuje proces przekazywania ciepła z cieplejszej substancji do substancji o mniejszej ilości ciepła. Ten proces nazywa się wymianą ciepła. Główne rodzaje wymiany ciepła i mechanizmy ich działania zostaną omówione w tym artykule.

Oznaczanie wymiany ciepła

Przenikanie ciepła lub proces przenoszenia temperatury,może wystąpić zarówno w materii, jak i między jedną substancją a drugą. Jednocześnie intensywność wymiany ciepła w dużej mierze zależy od fizycznych właściwości materii, temperatury substancji (jeśli kilka substancji uczestniczy w wymianie ciepła) i praw fizyki. Wymiana ciepła to proces, który zawsze przebiega jednostronnie. Główną zasadą wymiany ciepła jest to, że najbardziej ogrzany korpus zawsze oddaje ciepło obiektowi o niższej temperaturze. Na przykład podczas prasowania odzieży gorące żelazko nadaje ciepło spodniom, a nie odwrotnie. Wymiana ciepła jest zjawiskiem zależnym od indeksu czasu charakteryzującego nieodwracalną propagację ciepła w przestrzeni.

Mechanizmy przekazywania ciepła

Mechanizmy oddziaływań termicznych substancji mogą przybierać różne formy. Istnieją trzy rodzaje wymiany ciepła w naturze:

Przewodnictwo cieplne - mechanizm międzycząsteczkowego transferu ciepła z jednej części ciała do drugiej lub do innego obiektu. Właściwość opiera się na niejednorodności temperatury w rozważanych substancjach.
Konwekcja - wymiana ciepła pomiędzy płynami (cieczą, powietrzem).
Promieniowanie jest przenoszeniem ciepła z ogrzewanych ciał ogrzewanych energią (źródłami) w postaci fal elektromagnetycznych o stałym spektrum.

Rozważmy wymienionych typów ciepła w sposób bardziej szczegółowy.

Przewodność cieplna

Najczęściej przewodnictwo cieplne obserwuje się w ciałach stałychciała. Jeśli pod wpływem niektórych czynników na tej samej substancji pojawią się regiony o różnych temperaturach, energia cieplna z bardziej nagrzanej sekcji przejdzie na zimną. W niektórych przypadkach zjawisko to można zaobserwować nawet wizualnie. Na przykład, jeśli weźmiemy metalowy pręt, powiedzmy, igłę i ogrzejemy ją, wtedy po pewnym czasie zobaczymy, jak energia cieplna jest przekazywana przez igłę, tworząc blask w określonym obszarze. W miejscu, w którym temperatura jest wyższa, światło jest jaśniejsze i odwrotnie, gdzie t jest niższe, jest ciemniejsze. Przewodność cieplną można również zaobserwować między dwoma ciałami (kubek gorącej herbaty i dłoni)

Intensywność wymiany ciepła zależyz wielu czynników, których stosunek ujawnił francuski matematyk Fourier. Czynniki te obejmują przede wszystkim gradient temperatury (stosunek różnicy temperatury na końcach pręta do odległości od jednego końca do drugiego), powierzchnię przekroju korpusu i współczynnik przewodnictwa cieplnego (dla wszystkich substancji jest on inny, ale najwyższy obserwuje się dla metali). Najbardziej znaczący współczynnik przewodności cieplnej obserwuje się w miedzi i aluminium. Nie jest zaskakujące, że te dwa metale są często stosowane do wytwarzania przewodów elektrycznych. Zgodnie z prawem Fouriera strumień ciepła można zwiększyć lub zmniejszyć, zmieniając jeden z tych parametrów.

Konwekcyjne rodzaje wymiany ciepła

Konwekcja, charakterystyczna głównie dla gazów iciecze, ma dwa składniki: międzycząsteczkowe przewodnictwo cieplne i ruch (dystrybucja) ośrodka. Mechanizm działania konwekcji przebiega następująco: gdy temperatura płynącej substancji wzrasta, jej cząsteczki zaczynają poruszać się bardziej aktywnie, a przy braku ograniczeń przestrzennych zwiększa się objętość substancji. Konsekwencją tego procesu będzie zmniejszenie gęstości substancji i jej ruchu w górę. Uderzającym przykładem konwekcji jest ruch nagrzanego przez grzejnik powietrza z akumulatora do sufitu.

Rozróżnienie między konwekcją swobodną i wymuszonąrodzaje wymiany ciepła. Przenikanie ciepła i ruch masy w swobodnym typie następuje z powodu niejednorodności substancji, to znaczy, że gorąca ciecz wznosi się ponad chłód naturalnie, nie wywierając wpływu sił zewnętrznych (na przykład ogrzewając pomieszczenie z centralnym ogrzewaniem). W konwekcji wymuszonej ruch masy następuje pod działaniem sił zewnętrznych, na przykład mieszając herbatę łyżeczką.

Promienny przekaz ciepła

Promieniowanie lub przenoszenie ciepła promieniowania możewystępują bez kontaktu z innym obiektem lub substancją, dlatego możliwe jest nawet w pozbawionej powietrza przestrzeni (próżni). Przenikanie ciepła promieniowaniem jest nieodłącznym elementem wszystkich ciał w większym lub mniejszym stopniu i przejawia się w postaci fal elektromagnetycznych o ciągłym spektrum. Żywym tego przykładem są promienie słoneczne. Mechanizm działania jest następujący: ciało nieustannie emituje pewną ilość ciepła do otaczającej przestrzeni. Kiedy energia ta dostaje się do innego obiektu lub substancji, jej część zostaje wchłonięta, druga część przechodzi, a trzecia zostaje odbita w środowisku. Każdy obiekt może zarówno promieniować ciepło, jak i absorbować, podczas gdy ciemne substancje są w stanie wchłonąć więcej ciepła niż światła.

Połączone mechanizmy przenoszenia ciepła

W naturze typy procesów wymiany ciepła rzadkospotkać się osobno. Częściej można je obserwować w agregacie. W termodynamice te kombinacje mają nawet nazwy, powiedzmy, przewodności cieplnej + konwekcji - jest to konwekcyjne przenoszenie ciepła, a przewodność cieplna + promieniowanie cieplne nazywane jest przewodzącym promieniowanie przenoszeniem ciepła. Ponadto odróżniają takie połączone rodzaje wymiany ciepła, jak:

Przenikanie ciepła to ruch ciepła między gazem lub cieczą a ciałem stałym.
Przenikanie ciepła to przeniesienie t z jednej materii na drugą poprzez mechaniczną przeszkodę.
Konwekcyjne promieniowanie ciepła jest tworzone przez połączenie konwekcji i promieniowania cieplnego.

Rodzaje przekazywania ciepła w przyrodzie (przykłady)

Wymiana ciepła w przyrodzie odgrywa ogromną rolę, a nieograniczone do ocieplenia globu światłem słonecznym. Rozległe prądy konwekcyjne, takie jak ruch mas powietrza, w dużej mierze determinują pogodę na naszej planecie.

Przewodność cieplna rdzenia Ziemi prowadzi dogejzery i erupcje wulkanów. To tylko niewielka część przykładów wymiany ciepła w skali globalnej. Razem tworzą one rodzaje konwekcyjnego przekazywania ciepła i przewodzenia promieniowania, które są niezbędne do podtrzymania życia na naszej planecie.

Wykorzystanie wymiany ciepła w działaniach antropologicznych

Ciepło jest ważnym składnikiem prawie wszystkich.procesy produkcyjne. Trudno powiedzieć, jaki rodzaj wymiany ciepła przez człowieka jest wykorzystywany przede wszystkim w gospodarce narodowej. Prawdopodobnie wszystkie trzy w tym samym czasie. Dzięki procesom wymiany ciepła metale są wytapiane, powstaje ogromna ilość towarów, zaczynając od przedmiotów codziennego użytku, a kończąc na statkach kosmicznych.

Niezwykle ważne dla cywilizacji sąjednostki termiczne zdolne do przekształcania energii cieplnej w użyteczną siłę. Należą do nich benzyna, olej napędowy, sprężarka, instalacje turbinowe. Do swojej pracy używają różnych rodzajów wymiany ciepła.