Siltuma vadīšanas piemērs

Braukšana ir kopā ar konvekcija un starojums, viens no trim siltuma pārneses mehānismiem. Tas ir enerģijas pārnese no vielas enerģētiskākajām daļiņām uz blakus esošajām mazāk enerģiskajām daļiņu mijiedarbības rezultātā starp šīm daļiņām. Vadīšana var notikt jebkurā fiziskā stāvoklī, neatkarīgi no tā, vai tā ir cieta, šķidra vai gāze. Gāzēs un šķidrumos vadītspēja notiek molekulu sadursmju un difūzijas dēļ to nejaušās kustības laikā. Cietās vielās tas ir saistīts ar režģī esošo molekulu vibrāciju un enerģijas transportēšanas brīvo elektronu kombināciju. Piemēram, pienāks laiks, kad auksts konservēts dzēriens siltā telpā sasilst līdz istabas temperatūrai. siltuma pārneses rezultātā no telpas uz dzērienu caur alumīniju, kas veido var.

Siltuma vadīšanas ātrums caur barotni ir atkarīgs no tas, tā biezums un materiāls, no kura tas izgatavots, kā arī temperatūras starpība viņš. Ir zināms, ka karstā ūdens tvertnes iesaiņošana ar stikla šķiedru, kas ir izolācijas materiāls, samazina siltuma zudumu ātrumu no šīs tvertnes. Biezāka izolācija, jo mazāki siltuma zudumi. Ir arī zināms, ka karstā ūdens tvertne zaudēs siltumu ātrāk, ja pazeminās telpas, kurā tā atrodas, temperatūru. Turklāt, jo lielāka ir tvertne, jo lielāka ir virsmas platība un līdz ar to arī siltuma zudumu ātrums.

Caur lielu plakanu sienu ar biezumu Δx = L un laukumu A var uzskatīt siltuma vadīšanu līdzsvara stāvoklī (kas paliek nemainīgs un bez acīmredzamām svārstībām). Temperatūras starpība no vienas sienas puses uz otru ir ΔT = T₂-T₁. Eksperimenti ir parādījuši, ka siltuma pārneses ātrums Q caur sienu dubultojas, kad temperatūras starpība ΔT tiek divkāršota no vienas uz otru. citā pusē, vai arī platība A perpendikulāra siltuma pārneses virzienam tiek dubultota, bet tā ir uz pusi, kad Siena. Tāpēc tiek secināts, ka siltuma vadīšanas ātrums caur plakanu slāni ir proporcionāls starpībai temperatūras caur to un uz siltuma pārneses laukumu, bet tas ir apgriezti proporcionāls šī slāņa biezumam; ir attēlots ar šādu vienādojumu:

Kur proporcionalitātes konstante k ir Siltumvadītspēja materiāla, kas mēra materiāla spēju vadīt siltumu. Ierobežojošajā Δxà0 gadījumā iepriekšējais vienādojums samazinās līdz diferenciālai formai:

Tiek saukta diferenciālā izpausme Furjē siltuma vadīšanas likums, par godu Dž. Furjē, kurš to pirmo reizi izteica savā tekstā par siltuma pārnesi 1822. gadā. Tiek izsaukta dT / dx daļa Temperatūras gradients, kas ir temperatūras līknes slīpums T-x diagrammā, tas ir, temperatūras maiņas ātrums attiecībā pret x, materiāla biezums, vietā x. Noslēgumā Furjē siltuma vadīšanas likums norāda, ka siltuma vadīšanas ātrums vienā virzienā ir proporcionāls temperatūras gradientam šajā virzienā. Siltums tiek vadīts temperatūras pazemināšanās virzienā, un temperatūras gradients kļūst negatīvs, kad tas samazinās, palielinoties x. Negatīvā zīme vienādojumos garantē, ka siltuma pārnese pozitīvajā x virzienā ir pozitīvs lielums.

Siltuma pārneses laukums A vienmēr ir perpendikulārs šīs pārneses virzienam. Piemēram, siltuma zudumiem caur sienu, kas ir 5 metrus gara, 3 metrus augsta un 25 centimetrus bieza, siltuma pārneses laukums ir A = 15 kvadrātmetri. Jāatzīmē, ka sienas biezums neietekmē A.

Siltumvadītspēja

 Materiālu lielā daudzveidība atšķirīgi uzglabā siltumu, un ir definēta specifiskā siltuma C īpašība._P kā mēra materiāla spējai uzkrāt siltumenerģiju. Piemēram, C_P= 4,18 kJ / Kg * ° C ūdenim un 0,45 kJ / Kg * ° C dzelzs temperatūrai istabas temperatūrā norāda, ka ūdens var uzkrāt gandrīz 10 reizes vairāk enerģijas nekā dzelzs uz masas vienību. Līdzīgi siltuma vadītspēja k ir materiāla spējas vadīt siltumu rādītājs. Piemēram, k = 0,608 W / m * ° C ūdenim un 80,2 W / m * ° C dzelzs temperatūrai istabas temperatūrā norāda, ka dzelzs siltumu vada vairāk nekā 100 reizes ātrāk nekā ūdens. Tāpēc ūdens tiek uzskatīts par sliktu siltuma vadītāju attiecībā pret dzelzi, kaut arī ūdens ir lielisks līdzeklis siltuma enerģijas uzkrāšanai.

Ir arī iespējams izmantot Furjē siltuma vadīšanas likumu, lai definētu siltuma vadītspēju kā ātrumu siltuma pārnese caur materiāla biezuma vienību platības vienībā un temperatūras starpības vienībā. Materiāla siltuma vadītspēja ir materiāla spēja vadīt siltumu. Augsta siltumvadītspējas vērtība norāda, ka materiāls ir labs siltuma vadītājs, un zema vērtība norāda, ka tas ir slikts vadītājs vai ka tas ir Izolējošs termiskā.

Termiskā difūzija

 Vēl viena materiālu īpašība, kas piedalās siltuma vadīšanas analīzē pārejas režīmā (vai mainās) ir termiskā difūzija, kas parāda, cik ātri siltums izkliedējas caur materiālu, un tiek definēts kā turpini:

Siltuma vadītspēja kā skaitītāja k ir siltuma vadītspēja un vielas blīvuma saucēja reizinājums ar īpatnējo siltumu atspoguļo siltuma jaudu. Siltumvadītspēja parāda, cik labi materiāls vada siltumu, un siltuma jauda norāda, cik daudz enerģijas materiāls uzkrāj tilpuma vienībā. Tāpēc materiāla siltuma difūziju var iedomāties kā attiecību starp caur materiālu vadīto siltumu un uzkrāto siltumu uz tilpuma vienību.

Materiālam, kam ir augsta siltuma vadītspēja vai zema siltuma jauda, ​​galu galā ir augsta siltuma difūzija. Jo augstāka ir termiskā difūzija, jo ātrāk siltums izplatās vidē. No otras puses, neliela siltuma difūzijas vērtība nozīmē, ka lielākoties materiāls absorbē siltumu un neliels daudzums šī siltuma tiks vadīts tālāk.

Piemēram, liellopa gaļas un ūdens termiskās difūzijas ir identiskas. Loģika slēpjas faktā, ka gaļa, kā arī svaigi dārzeņi un augļi lielākoties sastāv no ūdens un līdz ar to tām ir arī termiskās īpašības.