Beispiel für Wärmeleitung

Autofahren ist zusammen mit Konvektion und der Strahlung, einer der drei Wärmeübertragungsmechanismen. Es ist die Übertragung von Energie von den energiereicheren Teilchen einer Substanz auf die benachbarten, weniger energiereichen Teilchen als Ergebnis der Wechselwirkungen zwischen diesen Teilchen. Leitung kann in jedem physikalischen Zustand stattfinden, sei es fest, flüssig oder gasförmig. In Gasen und Flüssigkeiten beruht die Leitung auf Kollisionen und Diffusion von Molekülen während ihrer zufälligen Bewegung. In Festkörpern ist es auf die Kombination der Schwingungen der Moleküle in einem Gitter und dem Energietransport durch freie Elektronen zurückzuführen. Zum Beispiel kommt eine Zeit, in der sich ein kaltes Dosengetränk in einem warmen Raum auf Raumtemperatur erwärmt. durch Wärmeübertragung durch Wärmeleitung vom Raum zum Getränk durch das Aluminium, aus dem die können.

Die Geschwindigkeit der Wärmeleitung durch ein Medium hängt von der geometrischen Konfiguration von dies, seine Dicke und das Material, aus dem es besteht, sowie der Temperaturunterschied über er. Es ist bekannt, dass das Umhüllen eines Warmwasserspeichers mit Glasfaser, einem isolierenden Material, die Wärmeverlustrate dieses Tanks verringert. Je dicker die Dämmung, desto geringer der Wärmeverlust. Es ist auch bekannt, dass ein Warmwasserspeicher schneller Wärme verliert, wenn die Temperatur des Raums, in dem er untergebracht ist, gesenkt wird. Je größer der Tank ist, desto größer ist außerdem die Oberfläche und folglich die Wärmeverlustrate.

Es kann eine stationäre Wärmeleitung (die konstant und ohne sichtbare Schwankungen gehalten wird) durch eine große ebene Wand der Dicke Δx = L und der Fläche A betrachtet werden. Der Temperaturunterschied von einer Wandseite zur anderen beträgt ΔT = T₂-T₁. Experimente haben gezeigt, dass sich die Wärmeübertragungsrate Q durch die Wand verdoppelt, wenn die Temperaturdifferenz ΔT von einem zum anderen verdoppelt wird. eine andere Seite davon, sonst verdoppelt sich die Fläche A senkrecht zur Wärmeübertragungsrichtung, halbiert sich aber, wenn die Dicke L der Wand. Daraus wird geschlossen, dass die Geschwindigkeit der Wärmeleitung durch eine flache Schicht proportional zur Differenz ist der Temperatur durch sie hindurch und zum Bereich der Wärmeübertragung, aber sie ist umgekehrt proportional zur Dicke dieser Schicht; wird durch die folgende Gleichung dargestellt:

Wobei die Proportionalitätskonstante k die Wärmeleitfähigkeit des Materials, das ein Maß für die Fähigkeit eines Materials ist, Wärme zu leiten. Im Grenzfall von Δxà0 reduziert sich die vorherige Gleichung auf ihre Differentialform:

Die differentielle Manifestation heißt Fouriersches Wärmeleitungsgesetz, zu Ehren von J. Fourier, der sie erstmals 1822 in seinem Text über die Wärmeübertragung zum Ausdruck brachte. Der dT / dx-Teil heißt Temperaturgefälle, das ist die Steigung der Temperaturkurve in einem T-x-Diagramm, d. h. die Änderungsrate der Temperatur in Bezug auf x, die Dicke des Materials, an der Stelle x. Zusammenfassend zeigt das Fouriersche Wärmeleitungsgesetz, dass die Wärmeleitungsrate in eine Richtung proportional zum Temperaturgradienten in dieser Richtung ist. Wärme wird in Richtung abnehmender Temperatur geleitet und der Temperaturgradient wird negativ, wenn dieser mit zunehmendem x abnimmt. Das negative Vorzeichen in den Gleichungen garantiert, dass der Wärmeübergang in positiver x-Richtung eine positive Größe ist.

Die Fläche A der Wärmeübertragung ist immer senkrecht zur Richtung dieser Übertragung. Bei einem Wärmeverlust durch eine 5 Meter lange, 3 Meter hohe und 25 Zentimeter dicke Wand beträgt die Wärmeübertragungsfläche beispielsweise A = 15 Quadratmeter. Es ist zu beachten, dass die Dicke der Wand A nicht beeinflusst.

Wärmeleitfähigkeit

 Die große Materialvielfalt speichert Wärme unterschiedlich und die Eigenschaft der spezifischen Wärme C wurde definiert._P als Maß für die Fähigkeit eines Materials, Wärmeenergie zu speichern. Zum Beispiel C_P= 4,18 kJ / Kg * ° C für Wasser und 0,45 kJ / Kg * ° C für Eisen bei Raumtemperatur bedeutet, dass Wasser pro Masseneinheit fast 10-mal mehr Energie speichern kann als Eisen. Ebenso ist die Wärmeleitfähigkeit k ein Maß für die Fähigkeit eines Materials, Wärme zu leiten. Beispielsweise bedeutet k = 0,608 W / m * ° C für Wasser und 80,2 W / m * ° C für Eisen bei Raumtemperatur, dass Eisen Wärme mehr als 100-mal schneller leitet als Wasser. Daher gilt Wasser im Vergleich zu Eisen als schlechter Wärmeleiter, obwohl Wasser ein ausgezeichnetes Medium zur Speicherung von Wärmeenergie ist.

Es ist auch möglich, sich auf das Fouriersche Wärmeleitungsgesetz zu stützen, um die Wärmeleitfähigkeit als Geschwindigkeit zu definieren Wärmeübertragung durch eine Einheitsdicke des Materials pro Einheitsfläche pro Einheitstemperaturdifferenz. Die Wärmeleitfähigkeit eines Materials ist ein Maß für die Fähigkeit des Materials, Wärme zu leiten. Ein hoher Wert für die Wärmeleitfähigkeit zeigt an, dass das Material ein guter Wärmeleiter ist, und ein niedriger Wert zeigt an, dass es ein schlechter Leiter ist oder dass es a Isolierend Thermal.

Wärmeleitzahl

 Eine andere Eigenschaft von Materialien, die an der Analyse der Wärmeleitung in einem vorübergehenden Regime (oder Änderung) ist die Temperaturleitfähigkeit, die angibt, wie schnell Wärme durch ein Material diffundiert und ist definiert als mach weiter:

Das k des Zählers ist die Wärmeleitfähigkeit und das Produkt aus dem Nenner der Dichte des Stoffes und der spezifischen Wärme die Wärmekapazität. Die Wärmeleitfähigkeit gibt an, wie gut ein Material Wärme leitet, und die Wärmekapazität gibt an, wie viel Energie ein Material pro Volumeneinheit speichert. Daher kann die Wärmeleitfähigkeit eines Materials als das Verhältnis zwischen der durch das Material geleiteten Wärme und der pro Volumeneinheit gespeicherten Wärme aufgefasst werden.

Ein Material mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit oder einer geringen Wärmekapazität hat letztlich eine hohe Wärmeleitfähigkeit. Je höher die Temperaturleitfähigkeit, desto schneller die Wärmeübertragung auf das Medium. Andererseits bedeutet ein kleiner Wert der Wärmeleitfähigkeit, dass die Wärme größtenteils vom Material absorbiert wird und ein kleiner Teil dieser Wärme weiter geleitet wird.

Beispielsweise sind die Wärmeleitfähigkeiten von Rindfleisch und Wasser identisch. Die Logik ist, dass Fleisch sowie frisches Gemüse und Obst zum größten Teil aus Wasser bestehen und somit seine thermischen Eigenschaften haben.