Voorbeeld warmtegeleiding

Rijden is samen met convectie en de straling, een van de drie warmteoverdrachtsmechanismen. Het is de overdracht van energie van de meer energetische deeltjes van een stof naar de aangrenzende minder energetische deeltjes, als gevolg van interacties tussen deze deeltjes. Geleiding kan plaatsvinden in elke fysieke toestand, of het nu vast, vloeibaar of gas is. In gassen en vloeistoffen is geleiding het gevolg van botsingen en diffusie van moleculen tijdens hun willekeurige beweging. In vaste stoffen is het te wijten aan de combinatie van de trillingen van de moleculen in een rooster en het transport van energie door vrije elektronen. Er komt bijvoorbeeld een moment dat een koud blikje drank in een warme kamer opwarmt tot kamertemperatuur. als gevolg van warmteoverdracht door geleiding, van de kamer naar de drank, door het aluminium waaruit de kan.

De snelheid van warmtegeleiding door een medium hangt af van de geometrische configuratie van dit, de dikte en het materiaal waarvan het is gemaakt, evenals het verschil in temperatuur over hij. Het is bekend dat het omwikkelen van een warmwatertank met glasvezel, een isolerend materiaal, de snelheid van warmteverlies uit die tank vermindert. Hoe dikker de isolatie, hoe lager het warmteverlies. Het is ook bekend dat een warmwaterboiler sneller warmte verliest wanneer de temperatuur van de ruimte waarin hij is gehuisvest, wordt verlaagd. Hoe groter de tank, hoe groter het oppervlak en bijgevolg de snelheid van warmteverlies.

Een stationaire geleiding (die constant en zonder duidelijke fluctuaties blijft) van warmte kan worden beschouwd door een grote vlakke wand met dikte Δx = L en oppervlakte A. Het temperatuurverschil van de ene kant van de muur naar de andere is ΔT = T₂-T₁. Experimenten hebben aangetoond dat de snelheid van warmteoverdracht Q door de wand verdubbelt wanneer het temperatuurverschil ΔT van de ene naar de andere wordt verdubbeld. een andere kant ervan, of anders, het gebied A loodrecht op de richting van warmteoverdracht wordt verdubbeld, maar het wordt gehalveerd wanneer de dikte L van de Muur. Daarom wordt geconcludeerd dat de snelheid van warmtegeleiding door een vlakke laag evenredig is met het verschil van temperatuur erdoorheen en tot het gebied van warmteoverdracht, maar het is omgekeerd evenredig met de dikte van die laag; wordt weergegeven door de volgende vergelijking:

Waar de evenredigheidsconstante k de. is Warmtegeleiding van het materiaal, wat een maat is voor het vermogen van een materiaal om warmte te geleiden. In het limietgeval van Δxà0, reduceert de vorige vergelijking tot zijn differentiële vorm:

De differentiële manifestatie heet Fourier's wet van warmtegeleiding, ter ere van J. Fourier, die het voor het eerst uitdrukte in zijn tekst over warmteoverdracht in 1822. Het dT / dx-gedeelte heet Temperatuurgradiënt, wat de helling is van de temperatuurcurve op een T-x-diagram, dat wil zeggen de snelheid van verandering van temperatuur ten opzichte van x, de dikte van het materiaal, op locatie x. Concluderend geeft Fourier's wet van warmtegeleiding aan dat de snelheid van warmtegeleiding in één richting evenredig is met de temperatuurgradiënt in die richting. Warmte wordt geleid in de richting van afnemende temperatuur en de temperatuurgradiënt wordt negatief wanneer deze laatste afneemt met toenemende x. Het minteken in de vergelijkingen garandeert dat de warmteoverdracht in de positieve x-richting een positieve grootheid is.

Het gebied A van warmteoverdracht staat altijd loodrecht op de richting van die overdracht. Voor warmteverlies door een muur van 5 meter lang, 3 meter hoog en 25 centimeter dik is het warmteoverdrachtsoppervlak bijvoorbeeld A = 15 vierkante meter. Opgemerkt moet worden dat de dikte van de muur geen invloed heeft op A.

Warmtegeleiding

 De grote diversiteit aan materialen slaat warmte anders op en de eigenschap van Specifieke Warmte C is gedefinieerd._P als een maat voor het vermogen van een materiaal om thermische energie op te slaan. Bijvoorbeeld, C_P= 4,18 kJ / Kg * ° C voor water, en 0,45 kJ / Kg * ° C voor ijzer, bij kamertemperatuur, geeft aan dat water bijna 10 keer meer energie kan opslaan dan ijzer per massa-eenheid. Evenzo is thermische geleidbaarheid k een maat voor het vermogen van een materiaal om warmte te geleiden. Bijvoorbeeld, k = 0,608 W / m * ° C voor water en 80,2 W / m * ° C voor ijzer, bij kamertemperatuur, geeft aan dat ijzer warmte meer dan 100 keer sneller geleidt dan water. Daarom wordt gezegd dat water een slechte warmtegeleider is in vergelijking met ijzer, hoewel water een uitstekend medium is voor het opslaan van thermische energie.

Het is ook mogelijk om de wet van warmtegeleiding van Fourier te gebruiken om thermische geleidbaarheid te definiëren als snelheid warmteoverdracht door een eenheidsdikte van het materiaal per oppervlakte-eenheid per eenheid temperatuurverschil. De thermische geleidbaarheid van een materiaal is een maat voor het vermogen van het materiaal om warmte te geleiden. Een hoge waarde voor thermische geleidbaarheid geeft aan dat het materiaal een goede warmtegeleider is, en een lage waarde geeft aan dat het een slechte geleider is of dat het een isolerend thermisch.

Thermische diffusie

 Een andere eigenschap van materialen die deelneemt aan de analyse van warmtegeleiding in een tijdelijk regime (of ( veranderen) is thermische diffusie, wat aangeeft hoe snel warmte door een materiaal diffundeert en wordt gedefinieerd als: ga verder:

Omdat de k van de teller de thermische geleidbaarheid is, en het product van de noemer van de dichtheid van de stof door de soortelijke warmte, vertegenwoordigt de warmtecapaciteit. Thermische geleidbaarheid laat zien hoe goed een materiaal warmte geleidt, en warmtecapaciteit geeft aan hoeveel energie een materiaal per volume-eenheid opslaat. Daarom kan de thermische diffusie van een materiaal worden opgevat als de verhouding tussen de warmte die door het materiaal wordt geleid en de opgeslagen warmte per volume-eenheid.

Een materiaal met een hoge thermische geleidbaarheid of een lage warmtecapaciteit heeft uiteindelijk een hoge thermische diffusie. Hoe hoger de thermische diffusie, hoe sneller de warmte zich naar het medium verspreidt. Aan de andere kant betekent een kleine waarde van thermische diffusie dat de warmte voor het grootste deel wordt geabsorbeerd door het materiaal en een kleine hoeveelheid van die warmte verder wordt geleid.

De thermische diffusiviteiten van rundvlees en water zijn bijvoorbeeld identiek. De logica ligt in het feit dat vlees, evenals verse groenten en fruit, voor het grootste deel uit water bestaat en bijgevolg zijn thermische eigenschappen heeft.