Τύποι μεταφοράς θερμότητας: συντελεστής μεταφοράς θερμότητας

2024 Συγγραφέας: Howard Calhoun | [email protected]. Τελευταία τροποποίηση: 2023-12-17 10:23

Οποιοδήποτε υλικό σώμα έχει ένα τέτοιο χαρακτηριστικό όπως η θερμότητα, η οποία μπορεί να αυξηθεί και να μειωθεί. Η θερμότητα δεν είναι υλική ουσία: ως μέρος της εσωτερικής ενέργειας μιας ουσίας, προκύπτει ως αποτέλεσμα της κίνησης και της αλληλεπίδρασης των μορίων. Δεδομένου ότι η θερμότητα διαφορετικών ουσιών μπορεί να διαφέρει, υπάρχει μια διαδικασία μεταφοράς θερμότητας από μια θερμότερη ουσία σε μια ουσία με λιγότερη θερμότητα. Αυτή η διαδικασία ονομάζεται μεταφορά θερμότητας. Θα εξετάσουμε τους κύριους τύπους μεταφοράς θερμότητας και τους μηχανισμούς δράσης τους σε αυτό το άρθρο.

Προσδιορισμός μεταφοράς θερμότητας

Μεταφορά θερμότητας, ή η διαδικασία μεταφοράς θερμοκρασίας, μπορεί να συμβεί τόσο στο εσωτερικό της ύλης όσο και από τη μια ουσία στην άλλη. Ταυτόχρονα, η ένταση της μεταφοράς θερμότητας εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από τις φυσικές ιδιότητες της ύλης, τη θερμοκρασία των ουσιών (αν συμμετέχουν πολλές ουσίες στη μεταφορά θερμότητας) και τους νόμους της φυσικής. Η μεταφορά θερμότητας είναι μια διαδικασία που προχωρά πάντα μονομερώς. Η κύρια αρχή της μεταφοράς θερμότητας είναι ότι το πιο καυτό σώμα εκπέμπει πάντα θερμότητα σε ένα αντικείμενο με χαμηλότερη θερμοκρασία. Για παράδειγμα, όταν σιδερώνετε ρούχα, ένα ζεστό σίδεροδίνει ζεστασιά στο παντελόνι, και όχι το αντίστροφο. Η μεταφορά θερμότητας είναι ένα χρονοεξαρτώμενο φαινόμενο που χαρακτηρίζει τη μη αναστρέψιμη κατανομή της θερμότητας στο διάστημα.

Μηχανισμοί μεταφοράς θερμότητας

Οι μηχανισμοί θερμικής αλληλεπίδρασης ουσιών μπορούν να λάβουν διαφορετικές μορφές. Υπάρχουν τρεις τύποι μεταφοράς θερμότητας στη φύση:

1. Η θερμική αγωγιμότητα είναι ένας μηχανισμός διαμοριακής μεταφοράς θερμότητας από ένα μέρος του σώματος σε άλλο ή σε άλλο αντικείμενο. Η ιδιότητα βασίζεται στην ανομοιογένεια της θερμοκρασίας στις υπό εξέταση ουσίες.
2. Συναγωγή - ανταλλαγή θερμότητας μεταξύ υγρών μέσων (υγρό, αέρας).
3. Δράση ακτινοβολίας είναι η μεταφορά θερμότητας από θερμαινόμενα και θερμαινόμενα σώματα (πηγές) λόγω της ενέργειάς τους με τη μορφή ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων με σταθερό φάσμα.

Ας εξετάσουμε τους αναφερόμενους τύπους μεταφοράς θερμότητας με περισσότερες λεπτομέρειες.

Θερμική αγωγιμότητα

Πιο συχνά, η θερμική αγωγιμότητα παρατηρείται στα στερεά. Εάν, υπό την επίδραση οποιωνδήποτε παραγόντων, εμφανίζονται περιοχές με διαφορετικές θερμοκρασίες στην ίδια ουσία, τότε η θερμική ενέργεια από μια πιο ζεστή περιοχή θα περάσει σε μια ψυχρή. Σε ορισμένες περιπτώσεις, αυτό το φαινόμενο μπορεί να παρατηρηθεί ακόμη και οπτικά. Για παράδειγμα, αν πάρουμε μια μεταλλική ράβδο, ας πούμε, μια βελόνα, και τη θερμάνουμε στη φωτιά, μετά από κάποιο χρονικό διάστημα θα δούμε πώς η θερμική ενέργεια μεταφέρεται μέσω της βελόνας, σχηματίζοντας μια λάμψη σε μια συγκεκριμένη περιοχή. Ταυτόχρονα, σε ένα μέρος όπου η θερμοκρασία είναι υψηλότερη, η λάμψη είναι πιο φωτεινή και, αντίθετα, όπου t είναι χαμηλότερη, είναι πιο σκοτεινή. Η αγωγιμότητα της θερμότητας μπορεί επίσης να παρατηρηθεί μεταξύ δύο σωμάτων (μια κούπα ζεστό τσάι και ένα χέρι)

Η ένταση της μεταφοράς ροής θερμότητας εξαρτάται από πολλούς παράγοντες, την αναλογία των οποίων αποκάλυψε ο Γάλλος μαθηματικός Fourier. Αυτοί οι παράγοντες περιλαμβάνουν κυρίως τη διαβάθμιση θερμοκρασίας (ο λόγος της διαφοράς θερμοκρασίας στα άκρα της ράβδου προς την απόσταση από το ένα άκρο στο άλλο), την περιοχή διατομής του σώματος και τον συντελεστή θερμικής αγωγιμότητας (είναι διαφορετικό για όλες τις ουσίες, αλλά το υψηλότερο παρατηρείται στα μέταλλα). Ο πιο σημαντικός συντελεστής θερμικής αγωγιμότητας παρατηρείται στον χαλκό και το αλουμίνιο. Δεν αποτελεί έκπληξη το γεγονός ότι αυτά τα δύο μέταλλα χρησιμοποιούνται συχνότερα στην κατασκευή ηλεκτρικών καλωδίων. Ακολουθώντας τον νόμο Fourier, η ροή θερμότητας μπορεί να αυξηθεί ή να μειωθεί αλλάζοντας μία από αυτές τις παραμέτρους.

Τύποι μεταφοράς θερμότητας με συναγωγή

Η μεταφορά, η οποία είναι χαρακτηριστική κυρίως των αερίων και των υγρών, έχει δύο συστατικά: τη διαμοριακή θερμική αγωγιμότητα και την κίνηση (κατανομή) του μέσου. Ο μηχανισμός δράσης της συναγωγής συμβαίνει ως εξής: με την αύξηση της θερμοκρασίας μιας ρευστή ουσίας, τα μόριά της αρχίζουν να κινούνται πιο ενεργά και ελλείψει χωρικών περιορισμών, ο όγκος της ουσίας αυξάνεται. Η συνέπεια αυτής της διαδικασίας θα είναι η μείωση της πυκνότητας της ουσίας και η ανοδική της κίνηση. Ένα εντυπωσιακό παράδειγμα μεταφοράς είναι η κίνηση του αέρα που θερμαίνεται από ένα ψυγείο από μια μπαταρία στην οροφή.

Κάντε διάκριση μεταξύ ελεύθερων και εξαναγκασμένων τύπων μεταφοράς θερμότητας. Η μεταφορά θερμότητας και η κίνηση μάζας στον ελεύθερο τύπο συμβαίνει λόγω της ετερογένειας της ουσίας, δηλαδή, το ζεστό υγρό ανεβαίνει πάνω από το ψυχρό φυσικότρόπο χωρίς να επηρεάζεται από εξωτερικές δυνάμεις (π.χ. θέρμανση δωματίου με κεντρική θέρμανση). Με την εξαναγκασμένη μεταφορά, η κίνηση της μάζας γίνεται υπό την επίδραση εξωτερικών δυνάμεων, για παράδειγμα, ανακατεύοντας το τσάι με ένα κουτάλι.

Μεταφορά θερμότητας ακτινοβολίας

Η μεταφορά θερμότητας με ακτινοβολία ή ακτινοβολία μπορεί να συμβεί χωρίς επαφή με άλλο αντικείμενο ή ουσία, επομένως είναι δυνατή ακόμη και σε χώρο χωρίς αέρα (κενό). Η μεταφορά θερμότητας ακτινοβολίας είναι εγγενής σε όλα τα σώματα σε μεγαλύτερο ή μικρότερο βαθμό και εκδηλώνεται με τη μορφή ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων με συνεχές φάσμα. Ένα χαρακτηριστικό παράδειγμα αυτού είναι ο ήλιος. Ο μηχανισμός δράσης είναι ο εξής: το σώμα εκπέμπει συνεχώς μια ορισμένη ποσότητα θερμότητας στον χώρο που το περιβάλλει. Όταν αυτή η ενέργεια χτυπά ένα άλλο αντικείμενο ή ουσία, μέρος της απορροφάται, το δεύτερο μέρος διέρχεται και το τρίτο μέρος αντανακλάται στο περιβάλλον. Οποιοδήποτε αντικείμενο μπορεί και να εκπέμπει θερμότητα και να απορροφά, ενώ οι σκοτεινές ουσίες μπορούν να απορροφήσουν περισσότερη θερμότητα από τις ελαφριές.

Συνδυασμένοι μηχανισμοί μεταφοράς θερμότητας

Στη φύση, οι τύποι διαδικασιών μεταφοράς θερμότητας σπάνια βρίσκονται χωριστά. Πολύ πιο συχνά μπορούν να δουν μαζί. Στη θερμοδυναμική, αυτοί οι συνδυασμοί έχουν ακόμη και ονόματα, για παράδειγμα, η θερμική αγωγιμότητα + συναγωγή είναι μεταφορά θερμότητας με συναγωγή και η θερμική αγωγιμότητα + η θερμική ακτινοβολία ονομάζεται μεταφορά θερμότητας με ακτινοβολία. Επιπλέον, υπάρχουν συνδυασμένοι τύποι μεταφοράς θερμότητας όπως:

• Διάχυση θερμότητας -η κίνηση της θερμικής ενέργειας μεταξύ ενός αερίου ή υγρού και ενός στερεού.
• Μεταφορά θερμότητας είναι η μεταφορά t από τη μια ύλη στην άλλη μέσω ενός μηχανικού εμποδίου.
• Η μεταφορά θερμότητας ακτινοβολούμενης μεταφοράς σχηματίζεται συνδυάζοντας τη συναγωγή και τη θερμική ακτινοβολία.

Τύποι μεταφοράς θερμότητας στη φύση (παραδείγματα)

Η μεταφορά θερμότητας στη φύση παίζει τεράστιο ρόλο και δεν περιορίζεται στη θέρμανση του πλανήτη από τις ακτίνες του ήλιου. Τα εκτεταμένα ρεύματα μεταφοράς, όπως η κίνηση των μαζών αέρα, καθορίζουν σε μεγάλο βαθμό τον καιρό σε ολόκληρο τον πλανήτη μας.

Η θερμική αγωγιμότητα του πυρήνα της Γης οδηγεί στην εμφάνιση θερμοπίδακες και στην έκρηξη ηφαιστειακών πετρωμάτων. Αυτά είναι μόνο μερικά παραδείγματα μεταφοράς θερμότητας σε παγκόσμια κλίμακα. Μαζί, σχηματίζουν τους τύπους μεταφοράς θερμότητας με συναγωγή και τους τύπους μεταφοράς θερμότητας με ακτινοβολία που είναι απαραίτητοι για τη διατήρηση της ζωής στον πλανήτη μας.

Η χρήση της μεταφοράς θερμότητας σε ανθρωπολογικές δραστηριότητες

Η θερμότητα είναι ένα σημαντικό συστατικό σχεδόν όλων των παραγωγικών διαδικασιών. Είναι δύσκολο να πούμε ποιος τύπος ανταλλαγής θερμότητας χρησιμοποιείται από τον άνθρωπο περισσότερο από όλα στην εθνική οικονομία. Μάλλον και τα τρία ταυτόχρονα. Οι διαδικασίες μεταφοράς θερμότητας χρησιμοποιούνται για την τήξη μετάλλων, παράγοντας μια τεράστια γκάμα προϊόντων που κυμαίνονται από καθημερινά είδη μέχρι διαστημόπλοια.

Εξαιρετικά σημαντικές για τον πολιτισμό είναι οι θερμικές μονάδες ικανές να μετατρέπουν τη θερμική ενέργεια σε χρήσιμη ισχύ. Αναμεταξύμπορούν να ονομαστούν μονάδες βενζίνης, ντίζελ, συμπιεστής, στροβίλου. Για τη δουλειά τους, χρησιμοποιούν διαφορετικούς τύπους μεταφοράς θερμότητας.