Eksempel på varmeledning

Kjøring er sammen med konveksjon og stråling, en av de tre varmeoverføringsmekanismene. Det er overføring av energi fra de mer energiske partiklene til et stoff til de tilstøtende mindre energiske, som et resultat av interaksjoner mellom disse partiklene. Ledning kan finne sted i hvilken som helst fysisk tilstand, det være seg fast, væske eller gass. I gasser og væsker skyldes ledning kollisjoner og diffusjon av molekyler under deres tilfeldige bevegelse. I faste stoffer skyldes det kombinasjonen av molekylenes vibrasjoner i et gitter og transport av energi med frie elektroner. For eksempel vil det komme en tid da en kald hermetisk drikke i et varmt rom varmer opp til romtemperatur. som et resultat av varmeoverføring ved ledning, fra rommet til drikken, gjennom aluminiumet som utgjør kan.

Hastigheten på varmeledning gjennom et medium avhenger av den geometriske konfigurasjonen av dette, dets tykkelse og materialet det er laget av, samt forskjellen i temperatur på tvers han. Innpakking av en varmtvannstank med glassfiber, som er et isolasjonsmateriale, er kjent for å redusere varmetapshastigheten fra den tanken. Jo tykkere isolasjonen er, desto lavere er varmetapet. Det er også kjent at en varmtvannstank vil miste varme i høyere grad når temperaturen i rommet der den er senket. Jo større tanken er, jo større er overflatearealet og følgelig varmetapets hastighet.

En steady state-ledning (som holdes konstant og uten tilsynelatende svingninger) av varme gjennom en stor flat vegg med tykkelse Δx = L og areal A kan vurderes. Forskjellen i temperatur fra den ene siden av veggen til den andre er ΔT = T₂-T₁. Eksperimenter har vist at hastigheten på varmeoverføring Q gjennom veggen dobles når temperaturdifferansen AT blir doblet fra den ene til den andre. en annen side av det, eller, området A vinkelrett på retningen for varmeoverføring dobles, men det halveres når tykkelsen L på Vegg. Derfor konkluderes det med at hastigheten på varmeledning gjennom et flatt lag er proporsjonal med forskjellen temperatur gjennom den og til området for varmeoverføring, men den er omvendt proporsjonal med tykkelsen på det laget; er representert av følgende ligning:

Der hvor proporsjonalitetskonstanten k er Termisk ledningsevne av materialet, som er et mål på materialets evne til å lede varme. I det begrensende tilfellet av Δxà0, reduseres den forrige ligningen til dens differensialform:

Differensial manifestasjonen kalles Fouriers lov om varmeledning, til ære for J. Fourier, som først uttrykte det i sin tekst om varmeoverføring i 1822. DT / dx-delen kalles Temperaturgradient, som er hellingen til temperaturkurven på et T-x-diagram, det vil si endringshastigheten for temperatur i forhold til x, tykkelsen på materialet, på stedet x. Avslutningsvis indikerer Fouriers lov om varmeledning at hastigheten på varmeledning i en retning er proporsjonal med temperaturgradienten i den retningen. Varme ledes i retning av synkende temperatur og temperaturgradienten blir negativ når sistnevnte avtar med økende x. Det negative tegnet i ligningene garanterer at varmeoverføringen i positiv x-retning er en positiv størrelse.

Området A for varmeoverføring er alltid vinkelrett på retningen for overføringen. For eksempel, for varmetap gjennom en vegg som er 5 meter lang, 3 meter høy og 25 centimeter tykk, er varmeoverføringsarealet A = 15 kvadratmeter. Det skal bemerkes at tykkelsen på veggen ikke påvirker A.

Termisk ledningsevne

 Det store mangfoldet av materialer lagrer varmen annerledes, og egenskapen til spesifikk varme C er definert._P som et mål på materialets evne til å lagre termisk energi. For eksempel C_P= 4,18 kJ / Kg * ° C for vann, og 0,45 kJ / Kg * ° C for jern, ved romtemperatur, indikerer at vann kan lagre nesten 10 ganger mer energi enn jern per masseenhet. Tilsvarende er varmeledningsevne k et mål på materialets evne til å lede varme. For eksempel, k = 0,608 W / m * ° C for vann, og 80,2 W / m * ° C for jern, ved romtemperatur, indikerer at jern leder varme mer enn 100 ganger raskere enn vann. Derfor sies det at vann er en dårlig varmeleder i forhold til jern, selv om vann er et utmerket medium for lagring av termisk energi.

Det er også mulig å bruke Fouriers lov om varmeledning for å definere varmeledningsevne som hastighet varmeoverføring gjennom en enhetstykkelse av materialet per enhet areal per enhet temperaturforskjell. Varmeledningsevnen til et materiale er et mål på materialets evne til å lede varme. En høy verdi for varmeledningsevne indikerer at materialet er en god varmeleder, og en lav verdi indikerer at det er en dårlig leder eller at det er en Isolerende termisk.

Termisk diffusivitet

 En annen egenskap til materialer som deltar i analysen av varmeledning i et forbigående regime (eller endring) er termisk diffusivitet, som representerer hvor raskt varme diffunderer gjennom et materiale og er definert som Fortsett:

Å være k for telleren, den termiske ledningsevnen, og produktet av nevneren av stoffets tetthet av den spesifikke varmen representerer varmekapasiteten. Varmeledningsevne viser hvor godt et materiale leder varme, og varmekapasitet representerer hvor mye energi et materiale lagrer per volumsenhet. Derfor kan den termiske diffusiviteten til et materiale oppfattes som forholdet mellom varmen som ledes gjennom materialet og varmen lagret per volumsenhet.

Et materiale som har høy varmeledningsevne eller lav varmekapasitet har til slutt høy termisk diffusivitet. Jo høyere termisk diffusivitet, jo raskere blir varmeproduksjonen til mediet. På den annen side betyr en liten verdi av termisk diffusivitet at for det meste absorberes varmen av materialet, og en liten mengde av varmen vil bli ledet videre.

For eksempel er de termiske diffusivitetene til biff og vann identiske. Logikken ligger i det faktum at kjøtt, i tillegg til friske grønnsaker og frukt, består for det meste av vann, og følgelig har sine termiske egenskaper.