Пример за топлопроводимост

Шофирането е заедно с конвекция и радиация, един от трите механизма за пренос на топлина. Това е прехвърлянето на енергия от по-енергийните частици на дадено вещество към съседните по-малко енергийни в резултат на взаимодействия между тези частици. Провеждането може да се осъществи във всяко физическо състояние, било то твърдо, течно или газово. В газовете и течностите проводимостта се дължи на сблъсъци и дифузия на молекули по време на произволното им движение. При твърдите вещества това се дължи на комбинацията от вибрациите на молекулите в решетка и транспорта на енергия от свободни електрони. Например, ще дойде време, когато студената консервирана напитка в топла стая се затопля до стайна температура. в резултат на пренос на топлина чрез проводимост, от помещението до напитката, през алуминия, от който се състои мога.

Скоростта на топлопроводимост през среда зависи от геометричната конфигурация на това, неговата дебелина и материала, от който е направен, както и разликата в температурата в той. Известно е, че обвиването на резервоар за гореща вода със фибростъкло, което е изолационен материал, намалява скоростта на топлинните загуби от този резервоар. Колкото по-дебела е изолацията, толкова по-ниски са топлинните загуби. Известно е също така, че резервоарът за топла вода ще губи топлина с по-висока скорост, когато температурата в помещението, в което се помещава, бъде понижена. Освен това, колкото по-голям е резервоарът, толкова по-голяма е повърхността и съответно скоростта на топлинните загуби.

Стационарно проводимост (която остава постоянна и без видими колебания) на топлина може да се разглежда през голяма плоска стена с дебелина Δx = L и площ А. Разликата в температурата от едната страна на стената до другата е ΔT = T₂-T₁. Експериментите показват, че скоростта на топлопреминаване Q през стената се удвоява, когато температурната разлика ΔT се удвои от едната към другата. друга страна от него, или пък, площта A, перпендикулярна на посоката на топлопреминаване, се удвоява, но се намалява наполовина, когато дебелината L на Стена. Следователно се стига до заключението, че скоростта на топлопроводимост през плосък слой е пропорционална на разликата на температурата през него и към зоната на топлопредаване, но тя е обратно пропорционална на дебелината на този слой; се представя от следното уравнение:

Където константата на пропорционалност k е Топлопроводимост от материала, което е мярка за способността на материала да провежда топлина. В пределния случай на Δxà0, предишното уравнение се свежда до диференциалната си форма:

Нарича се диференциалната проява Законът на Фурие за топлопроводимост, в чест на Дж. Фурие, който за пръв път го е изразил в своя текст за пренос на топлина през 1822г. Извиква се частта dT / dx Температурен градиент, който е наклонът на температурната крива на диаграма T-x, т.е. скоростта на промяна на температурата по отношение на x, дебелината на материала, на място x. В заключение законът на Фурие за топлопроводимост показва, че скоростта на топлопроводимост в една посока е пропорционална на температурния градиент в тази посока. Топлината се провежда в посока на намаляване на температурата и температурният градиент става отрицателен, когато последният намалява с увеличаване на х. Отрицателният знак в уравненията гарантира, че топлопредаването в положителна посока х е положителна величина.

Областта А на топлопреминаване винаги е перпендикулярна на посоката на този трансфер. Например за топлинни загуби през стена с дължина 5 метра, височина 3 метра и дебелина 25 сантиметра площта на топлопреминаване е A = 15 квадратни метра. Трябва да се отбележи, че дебелината на стената не влияе на А.

Топлопроводимост

 Голямото разнообразие от материали съхранява топлината по различен начин и е определено свойството на специфичната топлина С._P като мярка за способността на материала да съхранява топлинна енергия. Например C_P= 4,18 kJ / Kg * ° C за вода и 0,45 kJ / Kg * ° C за желязо при стайна температура показва, че водата може да съхранява почти 10 пъти повече енергия от желязото за единица маса. По същия начин, топлопроводимостта k е мярка за способността на материала да провежда топлина. Например, k = 0,608 W / m * ° C за вода и 80,2 W / m * ° C за желязо, при стайна температура, показва, че желязото провежда топлина повече от 100 пъти по-бързо от водата. Следователно се казва, че водата е лош проводник на топлина спрямо желязото, въпреки че водата е отлична среда за съхранение на топлинна енергия.

Също така е възможно да се разчита на закона на Фурие за топлопроводимост, за да се определи топлопроводимостта като скорост пренос на топлина през единица дебелина на материала на единица площ за единица температурна разлика. Топлопроводимостта на материала е мярка за способността на материала да провежда топлина. Високата стойност за топлопроводимост показва, че материалът е добър проводник на топлина, а ниската стойност показва, че е лош проводник или че е Изолационни термична.

Термична дифузия

 Друго свойство на материалите, което участва в анализа на топлопроводимостта в преходен режим (или променяща се) е термична дифузивност, която представя колко бързо се дифузира топлината през материал и се определя като продължи:

K на числителя е топлопроводимостта, а произведението на знаменателя на плътността на веществото и специфичната топлина представлява топлинния капацитет. Топлинната проводимост показва колко добре материалът провежда топлината, а топлинната мощност представлява колко енергия материалът съхранява за единица обем. Следователно, термичната дифузивност на даден материал може да се разглежда като съотношение между топлината, проведена през материала, и топлината, съхранявана за единица обем.

Материал, който има висока топлопроводимост или нисък топлинен капацитет, в крайна сметка има висока термична дифузия. Колкото по-висока е термичната дифузия, толкова по-бързо се разпространява топлината към средата. От друга страна, малка стойност на термичната дифузивност означава, че в по-голямата си част топлината се абсорбира от материала и малко количество от тази топлина ще се проведе по-нататък.

Например термичните дифузионности на говеждото и водата са идентични. Логиката е, че месото, както и пресните зеленчуци и плодове, са съставени в по-голямата си част от водата и следователно имат своите топлинни свойства.