Zakoni o prenosu toplote, oblike prenosa, primeri

Obstaja prenos toplote Ko energija preide iz enega telesa v drugega zaradi temperaturne razlike med obema. Postopek prenosa toplote preneha takoj, ko so temperature v stiku izenačeni ali ko se stik med njimi zatira.

V določenem času se imenuje količina energije, ki se prenaša iz enega telesa v drugega Toplota prenese. Eno telo lahko daje toploto ali ga absorbira, vendar toplota vedno preide od najvišje temperaturne telesa do najnižje temperature.

Slika 1. V kresu so podani trije mehanizmi prenosa toplote: vožnja, konvekcija in sevanje. Vir: Pixabay.

Toplotne enote so enake energiji in v mednarodnem sistemu ukrepov (SI) je Joule (J). Druge pogosto uporabljene toplotne enote sta kalorija in BTU. 

Kar zadeva matematične zakone, ki urejajo prenos toplote, so odvisni od mehanizma, ki posega v izmenjavo. 

Ko se toplota izvaja iz enega telesa v drugega, je hitrost, s katero se izmenjava toplota, sorazmerna s temperaturno diferencialom. To je znano kot Fourierjev zakon toplotne prevodnosti, kar vodi v Newton hladilni zakon.

[TOC]

Oblike/mehanizmi prenosa toplote

So načini, kako lahko toploto zamenjate med dvema truplama. Prepoznani so trije mehanizmi:

-Vožnja

-Konvekcija

-Sevanje

V loncu, kot je prikazan na zgornji sliki, obstajajo ti trije mehanizmi prenosa toplote:

-Kovina lonca se v glavnem segreva z vožnjo.

-Voda in zračna toplota ter vzpenjajte se s konvekcijo.

-Ljudje v bližini lonca segrevajo z oddajanjem sevanja.

Vožnja

Toplotna prevodnost se pojavlja večinoma v trdnih snovi, zlasti v kovinah.

Na primer, kuhinjski rog prenaša toploto v hrano v loncu skozi mehanizem kovinske vožnje in kovinske stene posode. V toplotni prevodnosti ni prenosa materiala, samo energija.

Konvekcija

Konvekcijski mehanizem je značilen za tekočine in pline. Skoraj vedno so te manj goste pri višji temperaturi, zato je v naraščajočem občutku najbolj vroče tekočine do visokih regij z najhladnejšo tekočino v toplotni tekočini. V konvekcijskem mehanizmu je prevoz materiala. 

Vam lahko služi: nestabilno ravnovesje: koncept in primeri

Sevanje

Mehanizem sevanja omogoča izmenjavo toplote med dvema telesom, tudi ko nista v stiku. Neposredni primer je sonce, ki segreva zemljo skozi prazen prostor med obema. 

Vsa telesa oddajajo in absorbirajo elektromagnetno sevanje. Če imate dve telesi pri različnih temperaturah, tudi v vakuumu, bodo čez nekaj časa dosegli isto temperaturo zaradi kalorične izmenjave elektromagnetnega sevanja.

Hitrost kaloričnega prenosa

V termodinamičnih sistemih v ravnovesju uvaža količino skupne toplote, izmenjane z okoljem, tako da sistem prehaja iz enega ravnotežja v drugo.

Po drugi strani pa se prenos toplote, obresti osredotočajo na prehodni pojav, ko sistemi še niso dosegli toplotne ravnovesja. Pomembno je opozoriti, da se količina toplote izmenjuje v določenem obdobju, to je hitrost prenosa toplote.

Primeri

- Primeri toplotne vožnje

Pri toplotni prevodnosti se toplotna energija prenaša s trki med atomi in molekulami materiala, ne glede na to, ali je ta trdna, tekočina ali plin. 

Trdne snovi so boljši toplotni vodniki kot plini in tekočine. V kovinah so prosti elektroni, ki se lahko premikajo po kovini.

Ker imajo prosti elektroni veliko mobilnost, lahko s trki učinkoviteje prenašajo kinetično energijo, zato imajo kovine visoko toplotno prevodnost.

Z makroskopskega vidika se meri toplotna prevodnost kot količina toplote, prenesene na enoto časa, ali kalorični tok H:

Slika 2. Toplotna prevodnost skozi palico. Pripravila Fanny Zapata.

Kalorični tok H je sorazmerno za presek Do in do temperaturne variacije na enoto vzdolžne razdalje.

Prejšnja formula je znana kot Fourierjev zakon in konstanta sorazmernosti k To je toplotna prevodnost. 

Ta enačba se uporablja za izračun kaloričnega toka H palice, kot je ena na sliki 2, ki je med dvema temperaturnima rezervoarjima T₁ in T₂ oziroma biti T₁> T₂.

Toplotna prevodnost materialov

Spodaj je seznam toplotne prevodnosti nekaterih vatnih materialov na Kelvinu: w/(m . K) 

Vam lahko služi: Galileo Galilei in njegov zakon o prostem padcu

Aluminij -205

Baker -385

Srebro --400

Jeklo -50

Pluta ali steklena vlakna- 0,04

Beton ali steklo -0.8

Les- 0,05 do 0,015

Zrak - 0,024

- Primeri toplote s konvekcijo

V toplotni konvekciji se energija prenaša zaradi gibanja tekočine, ki ima pri različnih temperaturah različne gostote. Na primer, ko vrela vodo v loncu, voda blizu dna poveča temperaturo, tako da se razširi.

Ta dilatacija povzroči, da se vroča voda dvigne, medtem ko hladna nizka zaseda prostor, ki ga je zapustila vroča voda, ki se je povzpela. Rezultat je cirkulacijsko gibanje, ki se nadaljuje, dokler temperature vseh ravni niso enake.

Konvekcija je tista, ki določa gibanje velikih zračnih mas zemeljske atmosfere in določa tudi kroženje morskih tokov.

- Primeri toplote z sevanjem

V mehanizmih prenosa toplote s prevodnostjo in konvekcijo je potrebna prisotnost materiala, tako da se toplota prenaša. Po drugi strani pa lahko v mehanizmu sevanja toplota prehaja iz enega telesa v drugo skozi praznino.

To je mehanizem, s katerim sonce pri višji temperaturi od zemlje prenaša energijo na naš planet neposredno s praznino prostora. Sevanje nas doseže z elektromagnetnimi valovi.

Vsi materiali lahko oddajajo in absorbirajo elektromagnetno sevanje. Največja frekvenca, ki se oddaja ali absorbira, je odvisna od temperature materiala in omenjena frekvenca raste s temperaturo.

Prevladujoča valovna dolžina emisije ali absorpcijskega spektra črnega telesa sledi Wien zakon, ki ugotovi, da je prevladujoča valovna dolžina sorazmerna z obratno telesno temperaturo.

Po drugi strani je moč (v vatah), s katero telo oddaja ali absorbira kalorično energijo z elektromagnetnim sevanjem, sorazmerna s četrto močjo absolutne temperature. To je znano kot Zakon Stefan:

P = εaσt⁴

V prejšnjem izrazu σ To je Stefanova konstanta in njegova vrednost je 5,67 x 10-8 w/m² K⁴. Do Je območje telesne površine in ε To je emisivnost materiala, konstanta brez dimenzij, katerih vrednost je med 0 in 1, in je odvisna od materiala.

Vam lahko služi: izobarični postopek: formule, enačbe, poskusi, vaje

Vaja rešena

Razmislite o vrstici na sliki 2. Recimo, da je palica dolga 5 cm, polmer 1 cm in je baker.

Palica je nameščena med dvema stenma, ki ohranjata njegovo konstantno temperaturo. Prva stena ima temperaturo t1 = 100 ° C, druga pa pri T2 = 20 ° C. Določiti:

do.- Vrednost toplotnega toka h

b.- Temperatura bakrene palice pri 2 cm, 3 cm in 4 cm od temperaturne stene T1.

Rešitev

Ker je bakrena palica nameščena med dvema stenma, katerih stene ves čas vzdržujejo isto temperaturo, lahko rečemo, da je v stacionarnem režimu. To pomeni, da ima toplotni tok h enako vrednost za vsak trenutek.

Za izračun tega toka uporabimo formulo, ki navaja tok H na temperaturno razliko in dolžino palice.

Ker je palica baker, vemo, da je v tabeli že prikazano, da je njegova toplotna prevodnost k vaucher: 385 w/(m k).

Presek je:

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

Temperaturna razlika med konci palice je

ΔT = (100 ° C - 20 ° C) = (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

Ta tok je enak kadar koli v lokalu in v vsakem trenutku, saj je bil dosežen stacionarni režim.

Rešitev b

V tem delu prosimo, da izračunamo temperaturo Tp v točki Str Nahaja se na daljavo Xp Glede stene T₁.

Izraz, ki daje kalorični tok H na točki Str je:

H = k a (t₁ -Tp)/(xp)

Iz tega izraza ga je mogoče izračunati Tp skozi:

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

Izračunamo temperaturo Tp V položajih 2 cm, 3 cm oziroma 4 cm, ki nadomešča numerične vrednosti:

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

Reference

1. Figueroa, d. 2005. Serija: Fizika za znanost in inženiring. Zvezek 5. Tekočine in termodinamika. Uredil Douglas Figueroa (USB).
2. Kirkpatrick, l. 2007. Fizika: pogled na svet. 6. skrajšana izdaja. Cengage učenje.
3. Lay, j. 2004. Splošna fizika za inženirje. USACH.
4. Mott, r. 2006. Mehanika tekočine. 4. Izdaja. Pearson Education. 
5. Strangeways, i. 2003. Merjenje naravnega okolja. 2. mesto. Izdaja. Cambridge University Press.
6. Wikipedija. Toplotna prevodnost. Okrevano od: je.Wikipedija.com