Esempio di conduzione del calore

La guida è insieme a convezione e il radiazione, uno dei tre meccanismi di trasferimento del calore. È il trasferimento di energia dalle particelle più energetiche di una sostanza a quelle adiacenti meno energetiche, come risultato delle interazioni tra queste particelle. La conduzione può avvenire in qualsiasi stato fisico, solido, liquido o gassoso. Nei gas e nei liquidi, la conduzione è dovuta agli urti e alla diffusione delle molecole durante il loro movimento casuale. Nei solidi è dovuto alla combinazione delle vibrazioni delle molecole in un reticolo e al trasporto di energia da parte degli elettroni liberi. Ad esempio, verrà un momento in cui una bevanda fredda in lattina in una stanza calda si riscalderà a temperatura ambiente. per effetto del trasferimento di calore per conduzione, dall'ambiente alla bevanda, attraverso l'alluminio che costituisce il può.

La velocità di conduzione del calore attraverso un mezzo dipende dalla configurazione geometrica di questo, il suo spessore e il materiale di cui è fatto, nonché la differenza di temperatura attraverso lui. È noto che avvolgere un serbatoio dell'acqua calda con fibra di vetro, che è un materiale isolante, riduce il tasso di perdita di calore da quel serbatoio. Più spesso è l'isolamento, minore è la perdita di calore. È anche noto che un bollitore per l'acqua calda perde calore in misura maggiore quando si abbassa la temperatura della stanza in cui è alloggiato. Inoltre, più grande è il serbatoio, maggiore è la superficie e di conseguenza il tasso di dispersione termica.

Si può considerare una conduzione stazionaria (che rimane costante e senza fluttuazioni apparenti) di calore attraverso una grande parete piana di spessore x = L e area A. La differenza di temperatura da un lato all'altro della parete è ΔT = T₂-T₁. Gli esperimenti hanno dimostrato che la velocità di trasferimento del calore Q attraverso la parete raddoppia quando la differenza di temperatura ΔT è raddoppiata dall'una all'altra. un altro lato di esso, oppure l'area A perpendicolare alla direzione di scambio termico è raddoppiata, ma si dimezza quando lo spessore L del Parete. Pertanto, si conclude che la velocità di conduzione del calore attraverso uno strato piano è proporzionale alla differenza di temperatura attraverso di esso e all'area di scambio termico, ma è inversamente proporzionale allo spessore di quello strato; è rappresentato dalla seguente equazione:

Dove la costante di proporzionalità k è la Conduttività termica del materiale, che è una misura della capacità di un materiale di condurre calore. Nel caso limite di Δxà0, l'equazione precedente si riduce alla sua forma differenziale:

La manifestazione differenziale è chiamata Legge di Fourier della conduzione del calore, in onore di J. Fourier, che per primo lo espresse nel suo testo sul trasferimento di calore nel 1822. La parte dT / dx è chiamata Gradiente di temperatura, che è la pendenza della curva della temperatura su un diagramma T-x, cioè la velocità di variazione della temperatura rispetto a x, lo spessore del materiale, nella posizione x. In conclusione, la legge di Fourier della conduzione del calore indica che la velocità di conduzione del calore in una direzione è proporzionale al gradiente di temperatura in quella direzione. Il calore è condotto nella direzione della diminuzione della temperatura e il gradiente di temperatura diventa negativo quando quest'ultima diminuisce all'aumentare di x. Il segno negativo nelle equazioni garantisce che il trasferimento di calore nella direzione x positiva sia una quantità positiva.

L'area A di trasferimento di calore è sempre perpendicolare alla direzione di tale trasferimento. Ad esempio, per la dispersione di calore attraverso una parete lunga 5 metri, alta 3 metri e spessa 25 centimetri, l'area di scambio termico è A = 15 metri quadrati. Va notato che lo spessore del muro non influisce su A.

Conduttività termica

 La grande diversità dei materiali immagazzina il calore in modo diverso e la proprietà del Calore Specifico C è stata definita._P come misura della capacità di un materiale di immagazzinare energia termica. Ad esempio, C_P= 4,18 kJ/Kg*°C per l'acqua, e 0,45 kJ/Kg*°C per il ferro, a temperatura ambiente, indica che l'acqua può immagazzinare quasi 10 volte più energia del ferro per unità di massa. Allo stesso modo, la conduttività termica k è una misura della capacità di un materiale di condurre il calore. Ad esempio, k = 0,608 W/m*°C per l'acqua e 80,2 W/m*°C per il ferro, a temperatura ambiente, indica che il ferro conduce il calore più di 100 volte più velocemente dell'acqua. Pertanto, si dice che l'acqua è un cattivo conduttore di calore rispetto al ferro, anche se l'acqua è un ottimo mezzo per immagazzinare energia termica.

È anche possibile utilizzare la legge di Fourier della conduzione del calore per definire la conduttività termica come velocità trasferimento di calore attraverso uno spessore unitario del materiale per unità di superficie per unità di differenza di temperatura. La conduttività termica di un materiale è una misura della capacità del materiale di condurre il calore. Un valore alto per la conducibilità termica indica che il materiale è un buon conduttore di calore, e un valore basso indica che è un cattivo conduttore o che è un Isolante termico.

Diffusività termica

 Un'altra proprietà dei materiali che partecipa all'analisi della conduzione del calore in regime transitorio (o cambiamento) è la diffusività termica, che rappresenta la velocità con cui il calore si diffonde attraverso un materiale ed è definita come vai avanti:

Essendo il k del numeratore la conducibilità termica, e il prodotto del denominatore della densità della sostanza per il calore specifico rappresenta la capacità termica. La conduttività termica mostra quanto bene un materiale conduce il calore e la capacità termica rappresenta la quantità di energia immagazzinata da un materiale per unità di volume. Pertanto, la diffusività termica di un materiale può essere concepita come il rapporto tra il calore condotto attraverso il materiale e il calore immagazzinato per unità di volume.

Un materiale che ha un'elevata conduttività termica o una bassa capacità termica ha in definitiva un'elevata diffusività termica. Maggiore è la diffusività termica, più rapida è la propagazione del calore al mezzo. D'altra parte, un piccolo valore di diffusività termica significa che, per la maggior parte, il calore viene assorbito dal materiale e una piccola quantità di quel calore sarà ulteriormente condotta.

Ad esempio, le diffusività termiche della carne bovina e dell'acqua sono identiche. La logica sta nel fatto che la carne, così come la verdura fresca e la frutta, sono costituite per la maggior parte da acqua, e di conseguenza hanno le sue proprietà termiche.