مثال على التوصيل الحراري

القيادة مع الحمل و ال إشعاع، إحدى آليات نقل الحرارة الثلاث. إنه نقل الطاقة من الجسيمات الأكثر نشاطًا للمادة إلى الجسيمات المجاورة الأقل نشاطًا ، نتيجة للتفاعلات بين هذه الجسيمات. يمكن أن يحدث التوصيل في أي حالة فيزيائية ، سواء كانت صلبة أو سائلة أو غازية. في الغازات والسوائل ، يرجع التوصيل إلى اصطدام الجزيئات وانتشارها أثناء حركتها العشوائية. في المواد الصلبة ، يرجع ذلك إلى مزيج من اهتزازات الجزيئات في شبكة ونقل الطاقة بواسطة الإلكترونات الحرة. على سبيل المثال ، سيأتي وقت ترتفع فيه درجة حرارة مشروب معلب بارد في غرفة دافئة إلى درجة حرارة الغرفة. نتيجة لانتقال الحرارة عن طريق التوصيل ، من الغرفة إلى المشروب ، من خلال الألومنيوم الذي يتكون منه تستطيع.

تعتمد سرعة التوصيل الحراري عبر وسيط على التكوين الهندسي لـ هذا ، سمكها والمادة التي صنعت منها ، وكذلك الاختلاف في درجة الحرارة عبرها هو. يُعرف تغليف خزان الماء الساخن بالألياف الزجاجية ، وهو مادة عازلة ، بتقليل معدل فقد الحرارة من هذا الخزان. كلما زادت سماكة العزل ، انخفض فقد الحرارة. ومن المعروف أيضًا أن خزان الماء الساخن سيفقد الحرارة بمعدل أعلى عندما تنخفض درجة حرارة الغرفة التي يوجد بها. أيضًا ، كلما زاد حجم الخزان ، زادت مساحة السطح وبالتالي معدل فقد الحرارة.

يمكن اعتبار التوصيل المستقر للحرارة (الذي يظل ثابتًا وبدون تقلبات واضحة) من خلال جدار مسطح كبير بسمك Δx = L والمنطقة A. الفرق في درجة الحرارة من جانب واحد من الجدار إلى الآخر هو ΔT = T₂-ت₁. أظهرت التجارب أن معدل نقل الحرارة Q عبر الجدار يتضاعف عندما يتضاعف فرق درجة الحرارة ΔT من واحد إلى آخر. جانب آخر منه ، وإلا فإن المنطقة A العمودية على اتجاه انتقال الحرارة تتضاعف ، لكنها تنخفض إلى النصف عندما يكون سمك L من حائط. لذلك ، استنتج أن سرعة توصيل الحرارة من خلال طبقة مسطحة تتناسب مع الاختلاف درجة الحرارة من خلاله ومع منطقة انتقال الحرارة ، ولكنها تتناسب عكسًا مع سمك تلك الطبقة ؛ تمثلها المعادلة التالية:

حيث ثابت التناسب k هو توصيل حراري من المادة ، وهو مقياس لقدرة المادة على إجراء الحرارة. في الحالة المحددة لـ Δxà0 ، تقلل المعادلة السابقة إلى شكلها التفاضلي:

يسمى المظهر التفاضلي قانون فورييه للتوصيل الحراري، تكريما لـ J. فورييه ، الذي عبر عن ذلك لأول مرة في نصه حول انتقال الحرارة في عام 1822. يسمى جزء dT / dx تدرج درجة الحراره، وهو ميل منحنى درجة الحرارة على مخطط T-x ، أي معدل تغير درجة الحرارة بالنسبة إلى x ، سمك المادة ، في الموقع x. في الختام ، يشير قانون فورييه للتوصيل الحراري إلى أن معدل التوصيل الحراري في اتجاه واحد يتناسب مع تدرج درجة الحرارة في هذا الاتجاه. يتم إجراء الحرارة في اتجاه انخفاض درجة الحرارة ويصبح التدرج في درجة الحرارة سالبًا عندما يتناقص الأخير مع زيادة x. تضمن العلامة السالبة في المعادلات أن انتقال الحرارة في اتجاه x الموجب هو كمية موجبة.

دائمًا ما تكون المنطقة A لانتقال الحرارة متعامدة مع اتجاه ذلك النقل. على سبيل المثال ، بالنسبة لفقدان الحرارة من خلال جدار يبلغ طوله 5 أمتار وارتفاعه 3 أمتار وسمكه 25 سم ، تكون مساحة نقل الحرارة A = 15 مترًا مربعًا. وتجدر الإشارة إلى أن سمك الجدار لا يؤثر على A.

توصيل حراري

 يقوم التنوع الكبير في المواد بتخزين الحرارة بشكل مختلف وتم تحديد خاصية الحرارة النوعية._ص كمقياس لقدرة المادة على تخزين الطاقة الحرارية. على سبيل المثال ، سي_ص= 4.18 kJ / Kg * ° C للمياه ، و 0.45 kJ / Kg * ° C للحديد ، في درجة حرارة الغرفة ، تشير إلى أن الماء يمكن أن يخزن طاقة 10 مرات أكثر من الحديد لكل وحدة كتلة. وبالمثل ، فإن الموصلية الحرارية k هي مقياس لقدرة المادة على توصيل الحرارة. على سبيل المثال ، k = 0.608 W / m * ° C للمياه ، و 80.2 W / m * ° C للحديد ، في درجة حرارة الغرفة ، يشير إلى أن الحديد يوصل الحرارة أسرع من الماء بمائة مرة. لذلك ، يُقال إن الماء موصل ضعيف للحرارة بالنسبة للحديد ، على الرغم من أن الماء يعد وسيطًا ممتازًا لتخزين الطاقة الحرارية.

من الممكن أيضًا استخدام قانون فورييه للتوصيل الحراري لتعريف التوصيل الحراري بالسرعة نقل الحرارة من خلال سماكة وحدة المادة لكل وحدة مساحة لكل فرق درجة حرارة الوحدة. الموصلية الحرارية للمادة هي مقياس لقدرة المادة على توصيل الحرارة. تشير القيمة العالية للتوصيل الحراري إلى أن المادة موصل جيد للحرارة ، وتشير القيمة المنخفضة إلى أنها موصلة رديئة أو أنها موصلة عازلة حراري.

الانتشار الحراري

 خاصية أخرى للمواد التي تشارك في تحليل التوصيل الحراري في نظام انتقالي (أو تغيير) هو الانتشار الحراري ، والذي يمثل مدى سرعة انتشار الحرارة عبر المادة ويتم تعريفه على أنه تابع:

كونه k للبسط ، فإن الموصلية الحرارية ، ونتاج مقام كثافة المادة بالحرارة النوعية يمثل السعة الحرارية. توضح الموصلية الحرارية مدى جودة توصيل المادة للحرارة ، وتمثل السعة الحرارية مقدار الطاقة التي تخزنها المادة لكل وحدة حجم. لذلك ، يمكن تصور الانتشار الحراري للمادة على أنها النسبة بين الحرارة التي يتم إجراؤها من خلال المادة والحرارة المخزنة لكل وحدة حجم.

المادة التي لها موصلية حرارية عالية أو سعة حرارية منخفضة لها في النهاية انتشار حراري مرتفع. كلما زاد الانتشار الحراري ، زادت سرعة انتشار الحرارة إلى الوسط. من ناحية أخرى ، تعني القيمة الصغيرة للانتشار الحراري ، بالنسبة للجزء الأكبر ، امتصاص الحرارة بواسطة المادة وسيتم توصيل كمية صغيرة من هذه الحرارة بشكل أكبر.

على سبيل المثال ، فإن الانتشارات الحرارية للحوم البقر والماء متطابقة. يكمن المنطق في حقيقة أن اللحوم ، وكذلك الخضار والفواكه الطازجة ، تتكون في معظمها من الماء ، وبالتالي لها خصائصها الحرارية.