Wetten voor warmteoverdracht, vormen van verzending, voorbeelden

Bestaat warmteoverdracht Wanneer energie van het ene lichaam naar het andere gaat vanwege het temperatuurverschil tussen de twee. Het warmteoverdrachtsproces stopt zodra de temperaturen van de lichamen in contact worden geëvenaard of wanneer het contact tussen hen wordt onderdrukt.

De hoeveelheid energie die in een bepaalde periode van het ene lichaam naar het andere wordt overgedragen, wordt aangeroepen Overgedragen warmte. Het ene lichaam kan warmte aan het andere geven, of het kan het absorberen, maar de warmte gaat altijd van de hoogste temperatuurlichaam naar de laagste temperatuur.

Figuur 1. In een vreugdevuur worden de drie mechanismen van warmteoverdracht gegeven: rijden, convectie en straling. Bron: Pixabay.

De warmte -eenheden zijn dezelfde als die van energie en in het internationale systeem van maatregelen (SI) is de Joule (J). Andere vaak gebruikte warmte -eenheden zijn calorieën en btu. 

Wat betreft de wiskundige wetten die de warmteoverdracht regelen, deze zijn afhankelijk van het mechanisme dat tussenbeide komt in de uitwisseling. 

Wanneer warmte van het ene lichaam naar het andere wordt uitgevoerd, is de snelheid waarmee warmte wordt uitgewisseld evenredig met het temperatuurverschil. Dit staat bekend als de Fourier's wet van thermische geleidbaarheid, wat leidt tot de Newton koelwetgeving.

[TOC]

Vormen/warmtetransmissiemechanismen

Het zijn de manieren waarop warmte kan worden uitgewisseld tussen twee lichamen. Drie mechanismen worden herkend:

-Het rijden

-Convectie

-Bestraling

In een pot zoals die in de bovenstaande figuur, zijn er deze drie warmteoverdrachtsmechanismen:

-Het metaal van de pot wordt voornamelijk verwarmd door te rijden.

-Water en luchtwarmte en stijgen door convectie.

-Mensen dicht bij de pot worden verwarmd door de uitgezonden straling.

Het rijden

Warmtegeleiding vindt meestal plaats in vaste stoffen en in het bijzonder in metalen.

De keukenhoorn brengt bijvoorbeeld warmte over naar voedsel in de pot door het metalen rijmechanisme en de metalen wanden van de container. Bij thermische geleiding is er geen materiaaltransport, alleen energie.

Convectie

Het convectiemechanisme is typerend voor vloeistoffen en gassen. Bijna altijd zijn deze minder dicht bij een hogere temperatuur, om deze reden is er een warmtetransport in het oplopende gevoel van de heetste vloeistof naar de hoge gebieden met de koudste vloeistof. In het convectiemechanisme is er materieel transport. 

Kan u van dienst zijn: onstabiele balans: concept en voorbeelden

Bestraling

Van zijn kant staat het stralingsmechanisme warmte -uitwisseling tussen twee lichamen toe, zelfs als ze geen contact hebben. Het directe voorbeeld is de zon, die de aarde door de lege ruimte tussen de twee verwarmt. 

Alle lichamen stoten en absorberen elektromagnetische straling. Als je twee lichamen hebt bij verschillende temperaturen, zelfs in een vacuüm zijn, zullen ze na een tijdje dezelfde temperatuur bereiken vanwege de calorie -uitwisseling van elektromagnetische straling.

Calorische overdrachtssnelheid

In de thermodynamische systemen in evenwicht importeert het de hoeveelheid totale warmte die wordt uitgewisseld met de omgeving, zodat het systeem van het ene evenwicht naar het andere overgaat.

Aan de andere kant, warmteoverdracht, rente richt zich op het tijdelijke fenomeen, wanneer systemen nog geen thermische balans hebben bereikt. Het is belangrijk op te merken dat de hoeveelheid warmte in een bepaalde periode wordt uitgewisseld, dat wil zeggen dat er een warmteoverdrachtssnelheid is.

Voorbeelden

- Voorbeelden van warmte rijden

In thermische geleidbaarheid wordt de warmte -energie overgedragen door botsingen tussen de atomen en moleculen van het materiaal, of deze vaste stof, vloeistof of gas. 

Vaste stoffen zijn betere warmtegeleiders dan gassen en vloeistoffen. In metalen zijn er gratis elektronen die rond metaal kunnen bewegen.

Aangezien vrije elektronen een grote mobiliteit hebben, kunnen ze kinetische energie overbrengen door botsingen efficiënter, dus metalen hebben een hoge thermische geleidbaarheid.

Vanuit het macroscopische oogpunt wordt de thermische geleidbaarheid gemeten als de hoeveelheid overgedragen warmte per eenheid tijdseenheid, of calorische stroom h:

Figuur 2. Warmtegeleiding door een bar. Bereid door Fanny Zapata.

De calorische stroom H is evenredig met de dwarsdoorsnede NAAR en tot de temperatuurvariatie per eenheid van longitudinale afstand.

De vorige formule staat bekend als Fourier's wet en de evenredigheid constant k Het is thermische geleidbaarheid. 

Deze vergelijking wordt toegepast om de calorische stroom te berekenen H van een bar zoals die in figuur 2, die tussen twee temperatuurreservoirs ligt T₁ En T₂ respectievelijk zijn T₁> T₂.

Thermische geleidingswerken van materialen

Hieronder is er een lijst met de thermische geleidbaarheid van sommige watt -materialen op Kelvin: w/(m . K) 

Kan u van dienst zijn: Galileo Galilei en zijn vrije herfstwet

Aluminium -205

Koper -385

Zilver --400

Staal -50

Kurk of glasvezel- 0,04

Beton of glas -0.8

Wood- 0,05 tot 0,015

Lucht - 0,024

- Heat voorbeelden door convectie

Bij hittevooruitgang wordt energie overgedragen als gevolg van de beweging van de vloeistof, die bij verschillende temperaturen verschillende dichtheden heeft. Bijvoorbeeld, wanneer kookwater in een pot is, verhoogt water dicht bij de bodem de temperatuur, dus het verwijdt.

Deze dilatatie zorgt ervoor dat het heet water stijgt, terwijl de koude laag om de ruimte te bezetten die is achtergelaten door het hete water dat is geklommen. Het resultaat is een circulatiebeweging die aanhoudt totdat de temperaturen van alle niveaus gelijk zijn.

De convectie is degene die de beweging van de grote luchtmassa's van de atmosfeer van de aarde bepaalt en ook de circulatie van mariene stromingen bepaalt.

- Warmte -voorbeelden door straling

In de mechanismen van warmteoverdracht door geleiding en convectie is de aanwezigheid van een materiaal vereist zodat de warmte wordt overgedragen. Aan de andere kant kan de warmte in het stralingsmechanisme van het ene lichaam naar het andere door de leegte doorgeven.

Dit is het mechanisme waardoor de zon, op een hogere temperatuur dan de aarde, energie rechtstreeks naar onze planeet overbrengt door de leegte van de ruimte. Straling bereikt ons door elektromagnetische golven.

Alle materialen kunnen elektromagnetische straling uitzenden en absorberen. De maximale frequentie die wordt uitgezonden of geabsorbeerd, hangt af van de temperatuur van het materiaal en deze frequentie groeit met de temperatuur.

De overheersende golflengte in het emissie- of absorptiespectrum van een zwart lichaam volgt de Wienwet, die vaststelt dat de overheersende golflengte evenredig is met het omgekeerde van de lichaamstemperatuur.

Aan de andere kant is het vermogen (in watt) waarmee een lichaam calorie -energie uitzendt of absorbeert door elektromagnetische straling evenredig met het vierde vermogen van absolute temperatuur. Dit staat bekend als de Stefan wet:

P = εaσt⁴

In de vorige uitdrukking σ Het is de constante van Stefan en de waarde ervan is 5,67 x 10-8 w/m² K⁴. NAAR Het is het gebied van het lichaamsoppervlak en ε Het is de emissiviteit van het materiaal, een constante zonder dimensies waarvan de waarde tussen 0 en 1 ligt, en hangt af van het materiaal.

Kan u van dienst zijn: Isobarisch proces: formules, vergelijkingen, experimenten, oefeningen

Oefening opgelost

Overweeg de balk in figuur 2. Stel dat de balk 5 cm lang is, 1 cm straal en het is koper.

De balk wordt tussen twee muren geplaatst die zijn constante temperatuur behouden. De eerste muur heeft een temperatuur T1 = 100ºC, terwijl de andere zich bevindt op T2 = 20ºC. Bepalen:

naar.- De waarde van thermische stroom h

B.- De temperatuur van de koperen staaf bij 2 cm, 3 cm en 4 cm van de temperatuurwand T1.

Oplossing voor

Omdat de koperen balk tussen twee muren wordt geplaatst waarvan de muren te allen tijde dezelfde temperatuur behouden, kan worden gezegd dat deze zich in het stationaire regime bevindt. Dat wil zeggen de thermische stroom h heeft dezelfde waarde voor elk moment.

Om deze stroom te berekenen, passen we de formule toe die de huidige h relateert aan het temperatuurverschil en de lengte van de balk.

Aangezien de balk koper is, weten we in de tabel eerder aangetoond dat de thermische geleidbaarheid K -voucher: 385 w/(m k).

De dwarsdoorsnede is:

A = πr² = 3.14*(1 × 10^-2M)² = 3,14 x 10^-4 M²

Het temperatuurverschil tussen de uiteinden van de balk is

Δt = (100ºC - 20ºC) = (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

Deze stroom is op elk moment in de bar hetzelfde en op elk moment, aangezien het stationaire regime is bereikt.

Oplossing B

In dit deel wordt ons gevraagd om de temperatuur te berekenen TP op een bepaald moment P op afstand gelegen XP Met betrekking tot de muur T₁.

De uitdrukking die de calorische stroom geeft H op het punt P is:

H = k a (t₁ -TP)/(XP)

Uit deze uitdrukking kan het worden berekend TP door:

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

Laten we de temperatuur berekenen TP In posities 2 cm, respectievelijk 3 cm en 4 cm, ter vervanging van numerieke waarden:

• TP = 340,6k = 67,6 ºC; 2 cm van T1
• TP = 324.4k = 51,4 ºC; 3 cm van T1
• TP = 308.2k = 35,2 ºC; 4 cm van T1

Referenties

1. Figueroa, D. 2005. Serie: Physics for Science and Engineering. Deel 5. Vloeistoffen en thermodynamica. Uitgegeven door Douglas Figueroa (USB).
2. Kirkpatrick, l. 2007. Natuurkunde: een blik op de wereld. 6e afgekort editie. Cengage leren.
3. Lay, j. 2004. Algemene fysica voor ingenieurs. USACH.
4. Mott, r. 2006. Vloeistofmechanica. 4e. Editie. Pearson Education. 
5. Strangeways, ik. 2003. Het meten van de natuurlijke omgeving. 2e. Editie. Cambridge University Press.
6. Wikipedia. Warmtegeleiding. Hersteld van: is.Wikipedia.com