Hővezetési példa

A vezetés együtt van konvekció és a sugárzás, a három hőátadási mechanizmus egyike. Ez egy anyag energikusabb részecskéiből a szomszédos kevésbé energikus részecskékbe történő energiaátadás, a részecskék közötti kölcsönhatások eredményeként. A vezetés bármilyen fizikai állapotban történhet, legyen az szilárd, folyékony vagy gáz. Gázokban és folyadékokban a vezetés a molekulák véletlenszerű mozgása során történő ütközéseknek és diffúziónak köszönhető. Szilárd anyagokban a molekulák rácsos rezgéseinek és az energia szabad elektronok általi transzportjának köszönhető. Például eljön az az idő, amikor egy hideg szobában egy hideg dobozos konzerv ital felmelegszik szobahőmérsékletre. a vezetés útján történő hőátadás eredményeként a szobából az italig az alumínium, amely a tud.

A közegben történő hővezetés sebessége függ a ez, annak vastagsága és anyaga, amelyből készült, valamint a hőmérséklet-különbség ő. Ismert, hogy egy melegvíz-tartály üvegszállal történő burkolása, amely szigetelőanyag, csökkenti a tartály hőveszteségének mértékét. Minél vastagabb a szigetelés, annál kisebb a hőveszteség. Az is ismert, hogy a melegvíz-tartály nagyobb sebességgel veszíti el a hőt, ha a szoba helyiségének hőmérsékletét leengedik. Továbbá, minél nagyobb a tartály, annál nagyobb a felület és következésképpen a hőveszteség mértéke.

Figyelembe lehet venni az állandó állapotú hővezetést (amelyet állandóan és látszólagos ingadozások nélkül tartunk) egy nagy lapos falon, amelynek vastagsága Δx = L és A területe. A falak egyik oldalától a másikig terjedő hőmérséklet-különbség ΔT = T₂-T₁. Kísérletek kimutatták, hogy a Q hőátadás sebessége a falon megduplázódik, ha a ΔT hőmérséklet-különbség megduplázódik egyikről a másikra. másik oldala, vagy pedig a hőátadás irányára merőleges A terület megduplázódik, de felére csökken, ha a Fal. Ezért arra a következtetésre jutottak, hogy a hővezetés sebessége egy sík rétegen keresztül arányos a különbséggel hőmérséklete és a hőátadás területe, de fordítottan arányos a réteg vastagságával; a következő egyenlet képviseli:

Ahol a k arányosság állandója a Hővezető az anyag hővezető képességének mértéke. A Δxà0 korlátozó esetben az előző egyenlet differenciálformájára redukálódik:

A differenciális megnyilvánulást ún Fourier hővezetési törvénye, J. tiszteletére Fourier, aki először 1822-ben fejezte ki a hőátadásról szóló szövegében. A dT / dx részt hívjuk Hőmérséklet gradiens, amely a hőmérsékleti görbe meredeksége egy T-x diagramon, vagyis a hőmérséklet változásának sebessége x-hez, az anyag vastagságához képest x helyen. Összegzésként elmondhatom, hogy Fourier hővezetési törvénye azt jelzi, hogy az egyik irányú hővezetés sebessége arányos az abban az irányban fennálló hőmérsékleti gradienssel. A hőt a hőmérséklet csökkenésének irányában vezetjük, és a hőmérséklet-gradiens negatívvá válik, amikor az utóbbi az x növekedésével csökken. Az egyenletek negatív jele garantálja, hogy a pozitív x irányú hőátadás pozitív mennyiség.

A hőátadás A területe mindig merőleges az átadás irányára. Például 5 méter hosszú, 3 méter magas és 25 centiméter vastag falon keresztüli hőveszteség esetén a hőátadási terület A = 15 négyzetméter. Meg kell jegyezni, hogy a fal vastagsága nem befolyásolja A-t.

Hővezető

 Az anyagok sokfélesége eltérően tárolja a hőt, és meghatározták a C fajlagos hő tulajdonságait._P az anyag hőenergia-tárolási képességének mérésére. Például C_P= 4,18 kJ / Kg * ° C víznél és 0,45 kJ / Kg * ° C vasnál szobahőmérsékleten azt jelzi, hogy a víz csaknem tízszer több energiát képes tárolni, mint a vas tömegegységenként. Hasonlóképpen, a k hővezető képessége az anyag hővezetési képességének a mértéke. Például k = 0,608 W / m * ° C víznél és 80,2 W / m * ° C vasnál szobahőmérsékleten azt jelzi, hogy a vas több mint 100-szor gyorsabban vezeti a hőt, mint a víz. Ezért azt mondják, hogy a víz rossz hővezető a vashoz képest, annak ellenére, hogy a víz kiváló közeg a hőenergia tárolására.

A hővezető képesség meghatározása sebességként Fourier hővezetési törvényével is lehetséges hőátadás egységnyi anyagvastagságonként egységnyi terület és hőmérséklet különbség között. Az anyag hővezető képessége az anyag hővezetési képességének mértéke. A hővezető képesség magas értéke azt jelzi, hogy az anyag jó hővezető, és alacsony érték azt jelzi, hogy rossz vezető, vagy Szigetelő termikus.

Termikus diffúzió

 Az anyagok egy másik tulajdonsága, amely részt vesz a hővezetés átmeneti (vagy változó) a termikus diffúzió, amely azt mutatja, hogy a hő milyen gyorsan diffundál egy anyagon keresztül, és ez a következő tovább:

Mivel a számláló k értéke, a hővezetőképesség, és az anyag fajlagos hőjének sűrűségének nevezője szorzata képviseli a hőkapacitást. A hővezető képesség megmutatja, hogy egy anyag mennyire vezeti a hőt, a Hőkapacitás pedig azt mutatja, hogy egy anyag mennyi energiát tárol egységnyi térfogatra. Ezért az anyag termikus diffúziója úgy képzelhető el, mint az anyagon keresztül vezetett hő és az egységnyi térfogatra számított hő aránya.

A magas hővezető képességű vagy alacsony hőkapacitású anyag végül nagy hő diffúzióval rendelkezik. Minél nagyobb a termikus diffúzió, annál gyorsabban terjed a hő a közegbe. Másrészt a termikus diffúzió kicsi értéke azt jelenti, hogy javarészt a hőt elnyeli az anyag, és ennek a hőnek egy kis része tovább vezet.

Például a marhahús és a víz termikus diffúziói megegyeznek. A logika abban rejlik, hogy a hús, valamint a friss zöldségek és gyümölcsök a víz nagy részét alkotják, és ennek következtében termikus tulajdonságokkal rendelkeznek.