Przykład przewodzenia ciepła

Jazda jest razem z konwekcja i promieniowanie, jeden z trzech mechanizmów wymiany ciepła. Jest to przeniesienie energii z bardziej energetycznych cząstek substancji na sąsiednie mniej energetyczne, w wyniku interakcji między tymi cząstkami. Przewodnictwo może zachodzić w dowolnym stanie fizycznym, czy to stałym, ciekłym czy gazowym. W gazach i cieczach przewodzenie jest wynikiem zderzeń i dyfuzji cząsteczek podczas ich losowego ruchu. W ciałach stałych wynika to z połączenia drgań cząsteczek w sieci i transportu energii przez wolne elektrony. Na przykład nadejdzie czas, gdy zimny napój w puszkach w ciepłym pomieszczeniu ogrzeje się do temperatury pokojowej. w wyniku przewodzenia ciepła z pomieszczenia do napoju, przez aluminium, z którego składa się mogą.

Szybkość przewodzenia ciepła przez ośrodek zależy od konfiguracji geometrycznej to, jego grubość i materiał, z którego jest wykonany, a także różnica temperatur w poprzek on. Wiadomo, że owinięcie zbiornika ciepłej wody włóknem szklanym, które jest materiałem izolacyjnym, zmniejsza szybkość utraty ciepła z tego zbiornika. Im grubsza izolacja, tym mniejsze straty ciepła. Wiadomo również, że zasobnik ciepłej wody szybciej traci ciepło, gdy temperatura pomieszczenia, w którym się znajduje, jest obniżona. Co więcej, im większy zbiornik, tym większa powierzchnia, a co za tym idzie szybkość strat ciepła.

Przewodzenie ciepła w stanie ustalonym (które pozostaje stałe i bez widocznych wahań) można rozpatrywać przez dużą płaską ścianę o grubości Δx = L i powierzchni A. Różnica temperatur z jednej strony ściany do drugiej wynosi ΔT = T₂-T₁. Eksperymenty wykazały, że szybkość przenikania ciepła Q przez ścianę podwaja się, gdy różnica temperatur ΔT jest podwojona między jednym a drugim. z drugiej strony, lub inaczej, powierzchnia A prostopadła do kierunku wymiany ciepła jest podwojona, ale zmniejsza się o połowę, gdy grubość L Ściana. W związku z tym stwierdza się, że prędkość przewodzenia ciepła przez płaską warstwę jest proporcjonalna do różnicy temperatury przez nią i do obszaru wymiany ciepła, ale jest odwrotnie proporcjonalna do grubości tej warstwy; jest reprezentowane przez następujące równanie:

Gdzie stała proporcjonalności k jest Przewodność cieplna materiału, który jest miarą zdolności materiału do przewodzenia ciepła. W przypadku granicznym Δxà0 poprzednie równanie sprowadza się do postaci różniczkowej:

Różnicowa manifestacja nazywa się Prawo przewodzenia ciepła Fourieraier, na cześć J. Fourier, który po raz pierwszy wyraził to w swoim tekście o wymianie ciepła w 1822 roku. Część dT / dx nazywa się Gradient temperatury, który jest nachyleniem krzywej temperatury na wykresie T-x, to znaczy szybkością zmiany Temperatury w odniesieniu do x, grubości materiału, w lokalizacji x. Podsumowując, prawo przewodzenia ciepła Fouriera wskazuje, że szybkość przewodzenia ciepła w jednym kierunku jest proporcjonalna do gradientu temperatury w tym kierunku. Ciepło jest przewodzone w kierunku malejącej temperatury, a gradient temperatury staje się ujemny, gdy ta maleje wraz ze wzrostem x. Znak ujemny w równaniach gwarantuje, że przenoszenie ciepła w dodatnim kierunku x jest wielkością dodatnią.

Obszar A przenoszenia ciepła jest zawsze prostopadły do ​​kierunku tego przenoszenia. Na przykład dla strat ciepła przez ścianę o długości 5 metrów, wysokości 3 metrów i grubości 25 centymetrów powierzchnia wymiany ciepła wynosi A = 15 metrów kwadratowych. Należy zauważyć, że grubość ściany nie wpływa na A.

Przewodność cieplna

 Duża różnorodność materiałów różnie magazynuje ciepło i zdefiniowano właściwość Ciepła Właściwego C._P jako miara zdolności materiału do magazynowania energii cieplnej. Na przykład C_P= 4,18 kJ/Kg*°C dla wody i 0,45 kJ/Kg*°C dla żelaza, w temperaturze pokojowej wskazuje, że woda może zmagazynować prawie 10 razy więcej energii niż żelazo na jednostkę masy. Podobnie przewodność cieplna k jest miarą zdolności materiału do przewodzenia ciepła. Na przykład k = 0,608 W/m*°C dla wody i 80,2 W/m*°C dla żelaza w temperaturze pokojowej wskazuje, że żelazo przewodzi ciepło ponad 100 razy szybciej niż woda. Dlatego mówi się, że woda jest słabym przewodnikiem ciepła w porównaniu z żelazem, mimo że woda jest doskonałym nośnikiem do magazynowania energii cieplnej.

Możliwe jest również użycie prawa przewodzenia ciepła Fouriera do zdefiniowania przewodnictwa cieplnego jako prędkości przenikanie ciepła przez jednostkę grubości materiału na jednostkę powierzchni na jednostkę różnicy temperatur. Przewodność cieplna materiału jest miarą zdolności materiału do przewodzenia ciepła. Wysoka wartość przewodności cieplnej wskazuje, że materiał jest dobrym przewodnikiem ciepła, a niska wartość wskazuje, że jest to słaby przewodnik lub że jest Izolacyjny termiczny.

Dyfuzyjność cieplna

 Inna właściwość materiałów, która bierze udział w analizie przewodzenia ciepła w reżimie przejściowym (lub zmiany) to dyfuzyjność cieplna, która reprezentuje szybkość dyfuzji ciepła przez materiał i jest zdefiniowana jako trwać:

Będąc k licznika przewodność cieplna i iloczyn mianownika gęstości substancji przez ciepło właściwe reprezentuje pojemność cieplną. Przewodność cieplna pokazuje, jak dobrze materiał przewodzi ciepło, a pojemność cieplna reprezentuje ilość energii, jaką materiał przechowuje na jednostkę objętości. W związku z tym dyfuzyjność cieplna materiału może być rozumiana jako stosunek ciepła przewodzonego przez materiał do ciepła zmagazynowanego na jednostkę objętości.

Materiał, który ma wysoką przewodność cieplną lub niską pojemność cieplną ostatecznie ma wysoką dyfuzję cieplną. Im wyższa dyfuzyjność cieplna, tym szybsza propagacja ciepła do medium. Z drugiej strony mała wartość dyfuzyjności cieplnej powoduje, że ciepło w przeważającej części jest pochłaniane przez materiał, a niewielka ilość tego ciepła będzie dalej odprowadzona.

Na przykład dyfuzyjność cieplna wołowiny i wody jest identyczna. Logika polega na tym, że mięso, a także świeże warzywa i owoce w większości składają się z wody, a co za tym idzie mają swoje właściwości termiczne.