דוגמה להולכת חום

הנהיגה היא ביחד עם הולכת חום וה קְרִינָה, אחד משלושת מנגנוני העברת החום. זהו העברת האנרגיה מהחלקיקים האנרגטיים יותר של חומר לחלקים הפחות אנרגטיים הסמוכים, כתוצאה מאינטראקציות בין חלקיקים אלה. הולכה יכולה להתרחש בכל מצב פיזי, בין אם זה מוצק, נוזלי או גז. בגזים ובנוזלים ההולכה נובעת מהתנגשויות ופיזור מולקולות במהלך תנועתן האקראית. במוצקים זה נובע משילוב בין התנודות של המולקולות בסריג והובלת האנרגיה באמצעות אלקטרונים חופשיים. לדוגמא, יגיע זמן בו משקה קרים משומר בחדר חם מתחמם לטמפרטורת החדר. כתוצאה מהעברת חום על ידי הולכה, מהחדר למשקה, דרך האלומיניום המרכיב את פחית.

מהירות הולכת החום דרך מדיום תלויה בתצורה הגיאומטרית של זה, עוביו והחומר ממנו הוא עשוי, כמו גם הפרש הטמפרטורה לרוחב הוא. עיטוף מיכל מים חמים עם פיברגלס, שהוא חומר מבודד, ידוע כמפחית את קצב אובדן החום מאותו מיכל. ככל שהבידוד עבה יותר כך ירידת החום נמוכה יותר. ידוע גם כי מיכל מים חמים יאבד חום בקצב גבוה יותר כאשר הטמפרטורה של החדר בו הוא שוכן יורדת. יתר על כן, ככל שהמיכל גדול יותר, כך שטח הפנים גדול יותר וכתוצאה מכך קצב אובדן החום.

ניתן לשקול הולכה במצב יציב (הנשמרת קבועה וללא תנודות ניכרות) של חום דרך קיר שטוח גדול בעובי Δx = L ושטח A. ההבדל בטמפרטורה מצד אחד של הקיר לצד השני הוא ΔT = T

₂-ט₁. ניסויים הראו שקצב העברת החום Q דרך הקיר מכפיל את עצמו כאשר הפרש הטמפרטורה ΔT מוכפל מאחד לשני. צד אחר של זה, או אחר, השטח A הניצב לכיוון העברת החום מוכפל, אך הוא חצוי כאשר עובי L של קִיר. לכן, המסקנה היא שמהירות הולכת החום דרך שכבה שטוחה פרופורציונאלית להבדל הטמפרטורה דרכו ולאזור העברת החום, אך היא ביחס הפוך לעובי שכבה זו; מיוצג על ידי המשוואה הבאה:

איפה קבוע המידתיות k הוא מוליכות תרמית של החומר, שהוא מדד ליכולתו של חומר להוביל חום. במקרה המגביל של Δxà0, המשוואה הקודמת מצטמצמת לצורה הדיפרנציאלית:

הביטוי הדיפרנציאלי נקרא חוק הולכת החום של פורייה, לכבודו של י. פורייה, שהביע זאת לראשונה בטקסט שלו על העברת חום בשנת 1822. החלק dT / dx נקרא שיפוע טמפרטורה, המהווה שיפוע של עקומת הטמפרטורה בתרשים T-x, כלומר קצב השינוי של הטמפרטורה ביחס ל- x, עובי החומר, במקום x. לסיכום, חוק הולכת החום של פורייה מצביע על כך שקצב הולכת החום לכיוון אחד הוא פרופורציונלי לשיפוע הטמפרטורה בכיוון זה. החום מתנהל בכיוון של ירידת הטמפרטורה ושיפוע הטמפרטורה הופך להיות שלילי כאשר האחרון יורד עם הגדלת x. הסימן השלילי במשוואות מבטיח כי העברת החום בכיוון x החיובי היא כמות חיובית.

אזור A של העברת חום עומד תמיד בניצב לכיוון אותו העברה. לדוגמא, עבור אובדן חום דרך קיר שאורכו 5 מטרים, גובהו 3 מטרים ועובי 25 סנטימטרים, שטח העברת החום הוא A = 15 מטרים רבועים. יש לציין שעובי הקיר אינו משפיע על A.

מוליכות תרמית

 המגוון הגדול של החומרים אוגר את החום בצורה שונה והוגדר המאפיין של חום ספציפי C._פ כמדד ליכולתו של חומר לאגור אנרגיה תרמית. לדוגמא, ג_פ= 4.18 קג''ג / ק"ג * מעלות צלזיוס למים, ו 0.45 קג''ג / קג * מעלות צלזיוס לברזל, בטמפרטורת החדר, מציין כי מים יכולים לאגור כמעט פי 10 יותר אנרגיה מברזל ליחידת מסת באופן דומה, מוליכות תרמית k היא מדד ליכולת של חומר להוביל חום. לדוגמא, k = 0.608 W / m * ° C למים ו- 80.2 W / m * ° C לברזל, בטמפרטורת החדר, מציין כי ברזל מוליך חום מהר יותר מפי 100 ממים. לכן, נאמר כי מים הם מוליכים גרועים של חום ביחס לברזל, למרות שמים הם מצע מצוין לאחסון אנרגיה תרמית.

אפשר גם להסתמך על חוק הולכת חום של פורייה כדי להגדיר מוליכות תרמית כמהירות העברת חום דרך עובי יחידה של החומר ליחידת שטח ליחידת טמפרטורה ביחידה. מוליכות תרמית של חומר היא מדד ליכולת החומר להוביל חום. ערך גבוה למוליכות תרמית מעיד על כך שהחומר הוא מוליך טוב של חום, וערך נמוך מציין שהוא מוליך גרוע או שהוא בידוד תֶרמִי.

Diffusivity תרמית

 מאפיין נוסף של חומרים המשתתפים בניתוח הולכת חום במשטר חולף (או משתנה) הוא דיפוזיות תרמית, המייצגת את מהירות התפשטות החום דרך חומר ומוגדרת כ תמשיך:

ה- k של המונה הוא המוליכות התרמית, ותוצר המכנה של צפיפות החומר והחום הספציפי מייצג את קיבולת החום. מוליכות תרמית מראה עד כמה חומר מוליך חום, וקיבולת חום מייצגת כמה אנרגיה חומר אוגר ליחידת נפח. לכן, ניתן להעלות את הדיפוזיביות התרמית של חומר כיחס בין החום המועבר דרך החומר לבין החום המאוחסן ליחידת נפח.

חומר בעל מוליכות תרמית גבוהה או יכולת חום נמוכה בסופו של דבר מפזר תרמי גבוה. ככל שהמפזר התרמי גבוה יותר, התפשטות החום מהר יותר למדיום. מצד שני, ערך קטן של דיפוזיות תרמית פירושו שלרוב, החום נספג בחומר וכמות קטנה של אותו חום תתנהל הלאה.

לדוגמה, הפיזור התרמי של בשר בקר ומים זהה. ההיגיון הוא שבשר, כמו גם ירקות ופירות טריים, מורכבים ברובם על ידי מים, וכתוצאה מכך יש להם את התכונות התרמיות שלו.