Primjer provođenja topline

Vožnja je zajedno s konvekcija i radijacija, jedan od tri mehanizma za prijenos topline. To je prijenos energije iz energičnijih čestica tvari u susjedne manje energetske, kao rezultat interakcija između tih čestica. Provođenje se može odvijati u bilo kojem fizikalnom stanju, bilo krutom, tekućem ili plinskom. U plinovima i tekućinama provodljivost je posljedica sudara i difuzije molekula tijekom njihovog slučajnog kretanja. U krutim tvarima to je zbog kombinacije vibracija molekula u rešetki i prijenosa energije slobodnim elektronima. Primjerice, doći će vrijeme kada se hladno piće iz konzerve u toploj sobi zagrije na sobnu temperaturu. kao rezultat prijenosa topline provođenjem, iz prostorije u napitak, kroz aluminij koji čini limenka.

Brzina provođenja topline kroz medij ovisi o geometrijskoj konfiguraciji to, njegova debljina i materijal od kojeg je izrađen, kao i razlika u temperaturi u cijelosti on. Poznato je da omotanje spremnika tople vode stakloplastikom, koja je izolacijski materijal, smanjuje brzinu gubitka topline iz tog spremnika. Što je izolacija gušća, gubitak topline je manji. Također je poznato da će spremnik s toplom vodom brže gubiti toplinu kada se temperatura u sobi u kojoj se nalazi snizi. Također, što je veći spremnik, veća je površina i posljedično brzina gubitka topline.

Može se razmotriti stacionarno provođenje (koje ostaje konstantno i bez očitih kolebanja) topline kroz veliki ravni zid debljine Δx = L i površine A. Razlika u temperaturi s jedne strane zida na drugu je ΔT = T₂-T₁. Eksperimenti su pokazali da se brzina prijenosa topline Q kroz zid udvostručuje kada se temperaturna razlika ΔT udvostruči s jedne na drugu. s druge strane, ili pak, područje A okomito na smjer prijenosa topline udvostručuje se, ali se prepolovljuje kad debljina L Zid. Stoga se zaključuje da je brzina provođenja topline kroz ravni sloj proporcionalna razlici temperature kroz njega i na područje prijenosa topline, ali je obrnuto proporcionalna debljini tog sloja; predstavljen je sljedećom jednadžbom:

Gdje je konstanta proporcionalnosti k Toplinska vodljivost materijala, što je mjera sposobnosti materijala da provodi toplinu. U graničnom slučaju Δxà0, prethodna se jednadžba svodi na svoj diferencijalni oblik:

Diferencijalna manifestacija se naziva Fourierov zakon provođenja topline, u čast J. Fourier, koji ga je prvi put izrazio u svom tekstu o prijenosu topline 1822. godine. Poziva se dio dT / dx Gradijent temperature, koji je nagib temperaturne krivulje na T-x dijagramu, odnosno brzina promjene temperature u odnosu na x, debljinu materijala, na mjestu x. U zaključku, Fourierov zakon provođenja topline ukazuje da je brzina provođenja topline u jednom smjeru proporcionalna gradijentu temperature u tom smjeru. Toplina se provodi u smjeru pada temperature, a gradijent temperature postaje negativan kad se on smanjuje s porastom x. Negativan znak u jednadžbama jamči da je prijenos topline u pozitivnom x smjeru pozitivna veličina.

Područje A prijenosa topline uvijek je okomito na smjer tog prijenosa. Primjerice, za gubitak topline kroz zid dugačak 5 metara, visok 3 metra i debeo 25 centimetara, područje prijenosa topline iznosi A = 15 četvornih metara. Valja napomenuti da debljina zida ne utječe na A.

Toplinska vodljivost

 Velika raznolikost materijala različito pohranjuje toplinu i definirano je svojstvo specifične topline C._Str kao mjera sposobnosti materijala da pohranjuje toplinsku energiju. Na primjer, C_Str= 4,18 kJ / Kg * ° C za vodu i 0,45 kJ / Kg * ° C za željezo, na sobnoj temperaturi, pokazuje da voda može pohraniti gotovo 10 puta više energije od željeza po jedinici mase. Slično tome, toplinska vodljivost k je mjera sposobnosti materijala da provodi toplinu. Primjerice, k = 0,608 W / m * ° C za vodu i 80,2 W / m * ° C za željezo, na sobnoj temperaturi, ukazuje na to da željezo provodi toplinu više od 100 puta brže od vode. Stoga se za vodu kaže da je loš vodič topline u odnosu na željezo, iako je voda izvrstan medij za pohranu toplinske energije.

Također je moguće koristiti Fourierov zakon vodljivosti topline za definiranje toplinske vodljivosti kao brzine prijenos topline kroz jedinicu debljine materijala po jedinici površine po jedinici razlike temperature. Toplinska vodljivost materijala mjera je sposobnosti materijala da provodi toplinu. Visoka vrijednost toplinske vodljivosti ukazuje da je materijal dobar provodnik topline, a niska vrijednost da je loš provodnik ili da je Izolacijski toplinska.

Toplinska difuzivnost

 Još jedno svojstvo materijala koje sudjeluje u analizi provođenja topline u prijelaznom režimu (ili promjena) je toplinska difuzivnost koja predstavlja brzinu difuzije topline kroz materijal i definirana je kao nastavi:

Budući da je k brojnika, toplinska vodljivost, a umnožak nazivnika gustoće tvari specifičnom toplinom predstavlja toplinski kapacitet. Toplinska vodljivost pokazuje koliko materijal dobro provodi toplinu, a toplinski kapacitet predstavlja koliko energije materijal skladišti po jedinici volumena. Stoga se toplinska difuzivnost materijala može zamisliti kao omjer između topline provedene kroz materijal i topline pohranjene po jedinici volumena.

Materijal koji ima visoku toplinsku vodljivost ili mali toplinski kapacitet u konačnici ima visoku toplinsku difuzivnost. Što je veća toplinska difuzivnost, to je brže širenje topline na medij. S druge strane, mala vrijednost toplinske difuzivnosti znači da, uglavnom, materijal apsorbira toplinu i mala količina te topline će se dalje provoditi.

Primjerice, toplinske difuzivnosti govedine i vode identične su. Logika leži u činjenici da se meso, kao i svježe povrće i voće, većinom sastoje od vode, pa prema tome imaju i svoja toplinska svojstva.