- Former / mekanismer för värmeöverföring
- Körning
- Konvektion
- Strålning
- Värmeöverföringshastighet
- exempel
- - Exempel på värmeledning
- Materialets värmeledningsförmåga
- - Exempel på konvektionsvärme
- - Exempel på strålningsvärme
- Träningen löst
- Lösning till
- Lösning b
- referenser
Det sker värmeöverföring när energi går från en kropp till en annan på grund av skillnaden i temperatur mellan de två. Värmeöverföringsprocessen upphör så snart temperaturen på kropparna i kontakt är lika eller när kontakten mellan dem avlägsnas.
Mängden energi som överförs från en kropp till en annan under en viss tidsperiod kallas överförd värme. En kropp kan ge värme till en annan, eller den kan ta upp den, men värmen går alltid från kroppen med den högsta temperaturen till kroppen med den lägsta temperaturen.
Figur 1. I en bål finns det de tre mekanismerna för värmeöverföring: ledning, konvektion och strålning. Källa: Pixabay.
Värmeenheterna är desamma som för energi och i det internationella mätsystemet (SI) är det joule (J). Andra ofta använda värmeenheter är kalorin och BTU.
När det gäller de matematiska lagarna som styr värmeöverföring beror de på den mekanism som är involverad i utbytet.
När värme leds från en kropp till en annan, är den hastighet med vilken värme växlas proportionell mot temperaturskillnaden. Detta är känt som Fouriers lag om värmeledningsförmåga, vilket leder till Newtons lag om kylning.
Former / mekanismer för värmeöverföring
Det är de sätt på vilka värme kan växlas mellan två kroppar. Tre mekanismer erkänns:
-Körning
-Konvektion
-Strålning
I en kruka som den som visas i figuren ovan finns det dessa tre värmeöverföringsmekanismer:
-Metallen i krukan värms främst genom ledning.
-Vattnet och luften värms upp och stiger genom konvektion.
-Personer nära potten värms av den strålning som släpps ut.
Körning
Värmeledning sker mest i fasta ämnen och i synnerhet i metaller.
Till exempel överför kaminen i köket värme till maten inuti potten genom ledningsmekanismen genom metallens botten och metallväggarna i behållaren. Vid termisk ledning sker ingen materialtransport, bara energi.
Konvektion
Konvektionsmekanismen är typisk för vätskor och gaser. Dessa är nästan alltid mindre täta vid högre temperaturer, av denna anledning sker det en uppåttransport av värme från de varmare vätskedelarna till de högre områdena med kallare vätskepartier. I konvektionsmekanismen finns det materialtransport.
Strålning
Strålningsmekanismen tillåter å sin sida värmeväxling mellan två kroppar även om de inte är i kontakt. Det omedelbara exemplet är solen, som värmer upp jorden genom det tomma utrymmet mellan dem.
Alla kroppar avger och absorberar elektromagnetisk strålning. Om du har två kroppar vid olika temperaturer, till och med i vakuum, kommer de efter en stund att nå samma temperatur på grund av värmeväxling med elektromagnetisk strålning.
Värmeöverföringshastighet
I termodynamiska system i jämvikt är mängden total värme som byts ut med miljön viktig så att systemet går från ett jämviktstillstånd till ett annat.
Å andra sidan, vid värmeöverföring, är intresset inriktat på det övergående fenomenet, när systemen ännu inte har nått termisk jämvikt. Det är viktigt att notera att värmemängden byts ut under en viss tid, det vill säga att det sker en hastighet för värmeöverföring.
exempel
- Exempel på värmeledning
I värmeledningsförmåga överförs värmeenergin genom kollisioner mellan materialets atomer och molekyler, vare sig detta är fast, flytande eller gas.
Fastämnen är bättre ledare av värme än gaser och vätskor. I metaller finns det fria elektroner som kan röra sig genom metallen.
Eftersom fria elektroner har stor rörlighet kan de överföra kinetisk energi genom kollisioner mer effektivt, varför metaller har hög värmeledningsförmåga.
Ur makroskopisk synvinkel mäts värmeledningsförmågan som den mängd värme som överförs per tidsenhet, eller kaloriström H:
Bild 2. Värmeledning genom en bar. Utarbetad av Fanny Zapata.
Den kaloriska strömmen H är proportionell mot tvärsnittet i område A och variationen i temperatur per enhet längsgående avstånd.
Denna ekvation tillämpas för att beräkna kaloriström H av en bar som den i figur 2, som är mellan två reservoarer av temperaturerna T 1 och T 2 respektive, där T 1 > T 2 .
Materialets värmeledningsförmåga
Nedan finns en lista över värmeledningsförmågan hos vissa material i watt per meter per kelvin: W / (m. K)
Aluminium -------- 205
Koppar --------- 385
Silver ---------- 400
Stål ---------– 50
Kork eller glasfiber - 0,04
Betong eller glas ----- 0,8
Trä ----- 0,05 till 0,015
Luft --------– 0.024
- Exempel på konvektionsvärme
Vid värmekonvektion överförs energi på grund av fluidens rörelse, som vid olika temperaturer har olika tätheter. Till exempel, när vatten kokas i en kruka, ökar vattnet nära botten temperaturen så att det expanderar.
Denna utvidgning får det heta vattnet att stiga, medan det kalla går ner för att uppta det utrymme som finns kvar av det varma vattnet som steg upp. Resultatet är en cirkulationsrörelse som fortsätter tills temperaturen på alla nivåer är jämn.
Konvektion är det som bestämmer rörelsen för stora luftmassor i jordens atmosfär och bestämmer också cirkulationen av marina strömmar.
- Exempel på strålningsvärme
I mekanismerna för värmeöverföring genom ledning och genom konvektion krävs närvaron av ett material för att värmen ska överföras. Däremot kan i strålningsmekanismen värme passera från en kropp till en annan genom ett vakuum.
Detta är den mekanism genom vilken solen, vid en högre temperatur än jorden, överför energi till vår planet direkt genom rymdvakuumet. Strålning kommer till oss genom elektromagnetiska vågor.
Alla material kan avge och absorbera elektromagnetisk strålning. Det maximala av den utsända eller absorberade frekvensen beror på materialets temperatur och denna frekvens ökar med temperaturen.
Den dominerande våglängden i emission- eller absorptionsspektrumet för en svart kropp följer Wiens lag, som säger att den dominerande våglängden är proportionell mot den omvända kroppstemperaturen.
Å andra sidan är kraften (i watt) med vilken en kropp avger eller absorberar värmeenergi genom elektromagnetisk strålning proportionell mot den fjärde effekten hos den absoluta temperaturen. Detta kallas Stefan's lag:
P = εAσT 4
I ovanstående uttryck σ är Stefan konstant och dess värde är 5,67 x 10-8 W / m 2 K 4 . A är kroppens ytarea och e är materialets emissivitet, en dimensionell konstant vars värde är mellan 0 och 1 och beror på materialet.
Träningen löst
Tänk stången i figur 2. Anta att stången är 5 cm lång, 1 cm i radie och tillverkad av koppar.
Stången placeras mellan två väggar som håller temperaturen konstant. Den första väggen har en temperatur T1 = 100ºC, medan den andra är vid T2 = 20ºC. Bestämma:
a.- Värdet på värmeströmmen H
b.- Temperaturen på kopparstången vid 2 cm, vid 3 cm och vid 4 cm från väggen med temperaturen T1.
Lösning till
Eftersom kopparstången placeras mellan två väggar vars väggar bibehåller samma temperatur hela tiden, kan man säga att den är i ett stabilt tillstånd. Med andra ord har den termiska strömmen H samma värde för varje ögonblick.
För att beräkna denna ström använder vi formeln som relaterar strömmen H med skillnaden i temperaturer och längden på stången.
Tvärsnittsområdet är:
A = πR 2 = 3,14 * (1 x 10 -2 m) 2 = 3,14 x 10 -4 m 2
Temperaturdifferensen mellan stängerna är
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
Denna ström är densamma när som helst på fältet och när som helst, eftersom det stabila tillståndet har uppnåtts.
Lösning b
I denna del uppmanas vi att beräkna temperaturen Tp vid en punkt P belägen på ett avstånd Xp från väggen T 1 .
Uttrycket som ger kaloriströmmen H vid punkt P är:
Från detta uttryck kan Tp beräknas med:
Låt oss beräkna temperaturen Tp vid positionerna 2 cm, 3 cm respektive 4 cm och ersätta numeriska värden:
- Tp = 340,6K = 67,6 ° C; 2 cm från T1
- Tp = 324,4K = 51,4 ° C; 3 cm från T1
- Tp = 308,2K = 35,2 ° C; 4 cm från T1
referenser
- Figueroa, D. 2005. Serie: Physics for Sciences and Engineering. Volym 5. Vätskor och termodynamik. Redigerad av Douglas Figueroa (USB).
- Kirkpatrick, L. 2007. Fysik: En titt på världen. 6: e förkortade upplagan. Cengage Learning.
- Lay, J. 2004. Allmän fysik för ingenjörer. USACH.
- Mott, R. 2006. Fluid Mechanics. 4:e. Utgåva. Pearson Education.
- Strangeways, I. 2003. Mätning av den naturliga miljön. 2:a. Utgåva. Cambridge University Press.
- Wikipedia. Värmeledningsförmåga. Återställd från: es.wikipedia.com