Eksempel på varmeledning

Kørsel er sammen med konvektion og stråling, en af ​​de tre varmeoverførselsmekanismer. Det er overførsel af energi fra de mere energiske partikler af et stof til de tilstødende mindre energiske som et resultat af interaktioner mellem disse partikler. Ledning kan finde sted i enhver fysisk tilstand, hvad enten det er fast, flydende eller gas. I gasser og væsker skyldes ledning kollisioner og diffusion af molekyler under deres tilfældige bevægelse. I faste stoffer skyldes det kombinationen af ​​vibrationerne i molekylerne i et gitter og transporten af ​​energi med frie elektroner. For eksempel vil der komme et tidspunkt, hvor en kold dåse drikke i et varmt rum varmer op til stuetemperatur. som et resultat af varmeoverførsel ved ledning fra rummet til drikkevaren gennem aluminiumet, der udgør kan.

Varmeledningens hastighed gennem et medium afhænger af den geometriske konfiguration af dette, dets tykkelse og det materiale, det er fremstillet af, samt forskellen i temperatur på tværs han. Indpakning af en varmtvandsbeholder med glasfiber, som er et isolerende materiale, er kendt for at reducere varmetabet fra denne tank. Jo tykkere isoleringen er, desto lavere er varmetabet. Det er også kendt, at en varmtvandsbeholder mister varmen med en højere hastighed, når temperaturen i det rum, hvor den er sænket, sænkes. Jo større tanken er, jo større er overfladearealet og følgelig varmetabshastigheden.

En steady state-ledning (som forbliver konstant og uden tilsyneladende udsving) af varme kan overvejes gennem en stor flad væg med tykkelse Δx = L og område A. Forskellen i temperatur fra den ene side af væggen til den anden er ΔT = T₂-T₁. Eksperimenter har vist, at hastigheden af ​​varmeoverførsel Q gennem væggen fordobles, når temperaturforskellen AT fordobles fra den ene til den anden. en anden side af det, ellers fordobles arealet A vinkelret på retningen for varmeoverførsel, men det halveres, når tykkelsen L på Væg. Derfor konkluderes det, at varmeledningens hastighed gennem et fladt lag er proportional med forskellen temperatur gennem det og til området for varmeoverførsel, men det er omvendt proportionalt med tykkelsen af ​​dette lag; er repræsenteret af følgende ligning:

Hvor proportionalitetskonstanten k er Varmeledningsevne af materialet, som er et mål for et materiales evne til at lede varme. I det begrænsende tilfælde af Δxà0 reduceres den tidligere ligning til dens differentierede form:

Den differentielle manifestation kaldes Fouriers lov om varmeledning, til ære for J. Fourier, der først udtrykte det i sin tekst om varmeoverførsel i 1822. DT / dx-delen kaldes Temperaturgradient, som er hældningen af ​​temperaturkurven på et T-x-diagram, det vil sige ændringshastigheden for temperatur i forhold til x, tykkelsen af ​​materialet, på stedet x. Som konklusion angiver Fouriers lov om varmeledning, at hastigheden af ​​varmeledning i en retning er proportional med temperaturgradienten i den retning. Varme ledes i retning af faldende temperatur, og temperaturgradienten bliver negativ, når sidstnævnte falder med stigende x. Det negative tegn i ligningerne garanterer, at varmeoverførslen i den positive x-retning er en positiv størrelse.

Området A for varmeoverførsel er altid vinkelret på retningen for denne overførsel. For eksempel for varmetab gennem en mur, der er 5 meter lang, 3 meter høj og 25 centimeter tyk, er varmeoverførselsarealet A = 15 kvadratmeter. Det skal bemærkes, at vægtykkelsen ikke påvirker A.

Varmeledningsevne

 Den store mangfoldighed af materialer lagrer varmen forskelligt, og egenskaben for Specifik varme C er blevet defineret._P som et mål for et materiales evne til at lagre termisk energi. For eksempel C_P= 4,18 kJ / Kg * ° C for vand og 0,45 kJ / Kg * ° C for jern ved stuetemperatur indikerer, at vand kan lagre næsten 10 gange mere energi end jern pr. Masseenhed. Tilsvarende er varmeledningsevne k et mål for et materiales evne til at lede varme. For eksempel indikerer k = 0,608 W / m * ° C for vand og 80,2 W / m * ° C for jern ved stuetemperatur, at jern leder varme mere end 100 gange hurtigere end vand. Derfor siges vand at være en dårlig varmeledning i forhold til jern, selvom vand er et fremragende medium til lagring af termisk energi.

Det er også muligt at bruge Fouriers lov om varmeledning til at definere varmeledningsevne som hastighed varmeoverførsel gennem en enhedstykkelse af materialet pr. arealeenhed pr. temperaturforskel. Et materiales varmeledningsevne er et mål for materialets evne til at lede varme. En høj værdi for varmeledningsevne indikerer, at materialet er en god varmeleder, og en lav værdi indikerer, at det er en dårlig leder, eller at det er en Isolerende termisk.

Termisk diffusivitet

 En anden egenskab ved materialer, der deltager i analysen af ​​varmeledning i et midlertidigt regime (eller ændring) er termisk diffusivitet, som repræsenterer, hvor hurtig varme diffunderer gennem et materiale og defineres som Fortsæt:

At være k for tælleren repræsenterer den termiske ledningsevne og produktet af nævneren af ​​stoffets densitet ved den specifikke varme varmekapaciteten. Varmeledningsevne viser, hvor godt et materiale leder varme, og varmekapacitet repræsenterer hvor meget energi et materiale lagrer pr. Volumenhed. Derfor kan et materiales termiske diffusivitet opfattes som forholdet mellem den varme, der ledes gennem materialet, og den lagrede varme pr. Volumenhed.

Et materiale, der har en høj varmeledningsevne eller en lav varmekapacitet, har i sidste ende en høj termisk diffusivitet. Jo højere den termiske diffusivitet er, desto hurtigere udbredes varme til mediet. På den anden side betyder en lille værdi af termisk diffusivitet, at varmen for det meste absorberes af materialet, og en lille mængde af denne varme vil blive ført videre.

For eksempel er de termiske diffusiviteter af oksekød og vand identiske. Logikken ligger i det faktum, at kød såvel som friske grøntsager og frugter består af det meste af vand og følgelig har dets termiske egenskaber.