Příklad vedení tepla

Řízení je spolu s proudění a záření, jeden ze tří mechanismů přenosu tepla. Jedná se o přenos energie z energetičtějších částic látky do sousedních méně energetických částic v důsledku interakcí mezi těmito částicemi. Vedení může probíhat v jakémkoli fyzickém stavu, ať už je to pevné, kapalné nebo plynné. V plynech a kapalinách je vedení způsobeno kolizemi a difúzí molekul během jejich náhodného pohybu. V pevných látkách je to díky kombinaci vibrací molekul v mřížce a přenosu energie volnými elektrony. Například přijde čas, kdy se studený konzervovaný nápoj v teplé místnosti zahřeje na pokojovou teplotu. v důsledku přenosu tepla vedením z místnosti do nápoje hliníkem, který tvoří umět.

Rychlost vedení tepla médiem závisí na geometrické konfiguraci to, jeho tloušťka a materiál, ze kterého je vyroben, stejně jako rozdíl teplot napříč on. Je známo, že obal nádrže na horkou vodu skleněnými vlákny, což je izolační materiál, snižuje rychlost tepelných ztrát z této nádrže. Čím silnější je izolace, tím nižší jsou tepelné ztráty. Je také známo, že zásobník teplé vody ztratí teplo vyšší rychlostí, když se sníží teplota v místnosti, kde je umístěn. Čím větší je nádrž, tím větší je povrchová plocha a následně rychlost tepelných ztrát.

Stabilní vedení tepla (které zůstává konstantní a bez zjevných výkyvů) tepla lze uvažovat prostřednictvím velké ploché stěny o tloušťce Δx = L a ploše A. Rozdíl teplot z jedné strany stěny na druhou je ΔT = T₂-T₁. Pokusy ukázaly, že rychlost přenosu tepla Q stěnou se zdvojnásobí, když se teplotní rozdíl ΔT zdvojnásobí z jedné na druhou. jeho další strana, nebo jinak, plocha A kolmá na směr přenosu tepla se zdvojnásobí, ale je poloviční, když je tloušťka L Stěna. Proto se dospělo k závěru, že rychlost vedení tepla plochou vrstvou je úměrná rozdílu teploty přes ni a do oblasti přenosu tepla, ale je to nepřímo úměrné tloušťce této vrstvy; je reprezentována následující rovnicí:

Kde konstanta proporcionality k je Tepelná vodivost materiálu, což je míra schopnosti materiálu vést teplo. V omezujícím případě Δxà0 se předchozí rovnice redukuje na svou diferenciální formu:

Diferenciální projev se nazývá Fourierův zákon vedení tepla, na počest J. Fourier, který to poprvé vyjádřil ve svém textu o přenosu tepla v roce 1822. Volá se dT / dx část Teplotní gradient, což je sklon teplotní křivky na diagramu T-x, tj. rychlost změny teploty vzhledem k x, tloušťce materiálu, v místě x. Závěrem lze říci, že Fourierův zákon vedení tepla naznačuje, že rychlost vedení tepla v jednom směru je úměrná teplotnímu gradientu v tomto směru. Teplo je vedeno ve směru klesající teploty a teplotní gradient se stává záporným, když teplota klesá s rostoucím x. Záporné znaménko v rovnicích zaručuje, že přenos tepla ve kladném směru x je kladná veličina.

Oblast A přenosu tepla je vždy kolmá na směr tohoto přenosu. Například pro tepelné ztráty zdí, která je 5 metrů dlouhá, 3 metry vysoká a 25 centimetrů silná, je oblast přenosu tepla A = 15 metrů čtverečních. Je třeba poznamenat, že tloušťka stěny neovlivňuje A.

Tepelná vodivost

 Velká rozmanitost materiálů ukládá teplo odlišně a byla definována vlastnost specifického tepla C._P jako míra schopnosti materiálu akumulovat tepelnou energii. Například C_P= 4,18 kJ / Kg * ° C pro vodu a 0,45 kJ / Kg * ° C pro železo při pokojové teplotě znamená, že voda může uchovávat téměř 10krát více energie než železo na jednotku hmotnosti. Podobně je tepelná vodivost k měřítkem schopnosti materiálu vést teplo. Například k = 0,608 W / m * ° C pro vodu a 80,2 W / m * ° C pro železo při pokojové teplotě naznačuje, že železo vede teplo více než stokrát rychleji než voda. Proto se o vodě říká, že je špatným vodičem tepla ve srovnání se železem, i když je voda vynikajícím prostředkem pro skladování tepelné energie.

Je také možné použít Fourierův zákon vedení tepla k definování tepelné vodivosti jako rychlosti přenos tepla jednotkovou tloušťkou materiálu na jednotku plochy na jednotku teplotního rozdílu. Tepelná vodivost materiálu je měřítkem schopnosti materiálu vést teplo. Vysoká hodnota tepelné vodivosti znamená, že materiál je dobrým vodičem tepla a nízká hodnota znamená, že jde o špatný vodič nebo že jde o Izolační tepelný.

Tepelná difuzivita

 Další vlastnost materiálů, která se podílí na analýze vedení tepla v přechodném režimu (nebo měnící se) je tepelná difuzivita, která představuje, jak rychle teplo prochází materiálem a je definována jako pokračuj:

Tepelná vodivost a součin jmenovatele hustoty látky specifickým teplem představuje k čitatele, což představuje tepelnou kapacitu. Tepelná vodivost ukazuje, jak dobře materiál vede teplo, a tepelná kapacita představuje, kolik energie materiál skladuje na jednotku objemu. Tepelnou difuzivitu materiálu lze tedy chápat jako poměr mezi teplem vedeným materiálem a teplem uloženým na jednotku objemu.

Materiál, který má vysokou tepelnou vodivost nebo nízkou tepelnou kapacitu, má nakonec vysokou tepelnou difuzivitu. Čím vyšší je tepelná difuzivita, tím rychlejší je šíření tepla do média. Na druhou stranu malá hodnota tepelné difuzivity znamená, že z větší části je teplo absorbováno materiálem a malé množství tohoto tepla bude odváděno dále.

Například tepelné difuzivity hovězího masa a vody jsou identické. Logika spočívá ve skutečnosti, že maso, stejně jako čerstvá zelenina a ovoce, jsou z velké části vyrobeny z vody, a proto mají své tepelné vlastnosti.