Exemplu de conducere a căldurii

Conducerea este împreună cu convecție si radiații, unul dintre cele trei mecanisme de transfer de căldură. Este transferul de energie de la particulele mai energetice ale unei substanțe la cele adiacente mai puțin energetice, ca urmare a interacțiunilor dintre aceste particule. Conducerea poate avea loc în orice stare fizică, fie ea solidă, lichidă sau gazoasă. În gaze și lichide, conducerea se datorează coliziunilor și difuziei moleculelor în timpul mișcării lor aleatorii. În solide se datorează combinației vibrațiilor moleculelor dintr-o rețea și transportului de energie de către electroni liberi. De exemplu, va veni un moment în care o băutură rece conservată într-o cameră caldă se încălzește la temperatura camerei. ca urmare a transferului de căldură prin conducție, din cameră în băutură, prin aluminiu care alcătuiește poate sa.

Viteza de conducere a căldurii printr-un mediu depinde de configurația geometrică a aceasta, grosimea sa și materialul din care este fabricat, precum și diferența de temperatură el. Înfășurarea unui rezervor de apă fierbinte cu fibră de sticlă, care este un material izolator, este cunoscută pentru a reduce rata pierderilor de căldură din acel rezervor. Cu cât izolația este mai groasă, cu atât pierderile de căldură sunt mai mici. Se știe, de asemenea, că un rezervor de apă fierbinte va pierde căldura într-un ritm mai mare atunci când temperatura camerei în care este adăpostit este scăzută. De asemenea, cu cât rezervorul este mai mare, cu atât suprafața este mai mare și, prin urmare, rata pierderii de căldură.

Poate fi luată în considerare o conducție la starea de echilibru (care rămâne constantă și fără fluctuații aparente) de căldură printr-un perete plat mare cu grosime Δx = L și zona A. Diferența de temperatură de la o parte la alta a peretelui este ΔT = T₂-T₁. Experimentele au arătat că rata transferului de căldură Q prin perete se dublează atunci când diferența de temperatură ΔT este dublată de la unu la o altă latură a acesteia sau zona A perpendiculară pe direcția transferului de căldură este dublată, dar este înjumătățită când grosimea L a Perete. Prin urmare, se concluzionează că Viteza de conducere a căldurii printr-un strat plat este proporțională cu diferența de temperatură prin el și către zona de transfer de căldură, dar este invers proporțională cu grosimea stratului respectiv; este reprezentat de următoarea ecuație:

Unde constanta proporționalității k este Conductivitate termică a materialului, care este o măsură a capacității unui material de a conduce căldura. În cazul limitativ al lui Δxà0, ecuația anterioară se reduce la forma sa diferențială:

Manifestarea diferențială se numește Legea lui Fourier a conducerii căldurii, în cinstea lui J. Fourier, care a exprimat-o prima dată în textul său despre transferul de căldură în 1822. Partea dT / dx se numește Gradient de temperatură, care este panta curbei de temperatură pe o diagramă T-x, adică rata de schimbare a temperaturii față de x, grosimea materialului, la locația x. În concluzie, Legea lui Fourier a conducerii căldurii indică faptul că rata de conducere a căldurii într-o direcție este proporțională cu gradientul de temperatură în acea direcție. Căldura este condusă în direcția scăderii temperaturii și gradientul de temperatură devine negativ atunci când acesta din urmă scade odată cu creșterea x. Semnul negativ din ecuații garantează că transferul de căldură în direcția x pozitivă este o cantitate pozitivă.

Zona A de transfer de căldură este întotdeauna perpendiculară pe direcția transferului de căldură. De exemplu, pentru pierderea de căldură printr-un perete care are o lungime de 5 metri, o înălțime de 3 metri și o grosime de 25 de centimetri, aria de transfer de căldură este A = 15 metri pătrați. Trebuie remarcat faptul că grosimea peretelui nu afectează A.

Conductivitate termică

 Marea diversitate de materiale stochează căldura în mod diferit și proprietatea specifică căldurii C a fost definită._P ca măsură a capacității unui material de a stoca energia termică. De exemplu, C_P= 4,18 kJ / Kg * ° C pentru apă și 0,45 kJ / Kg * ° C pentru fier, la temperatura camerei, indică faptul că apa poate stoca de aproape 10 ori mai multă energie decât fierul pe unitate de masă. În mod similar, conductivitatea termică k este o măsură a capacității unui material de a conduce căldura. De exemplu, k = 0,608 W / m * ° C pentru apă și 80,2 W / m * ° C pentru fier, la temperatura camerei, indică faptul că fierul conduce căldura de peste 100 de ori mai rapid decât apa. Prin urmare, se spune că apa este un conductor slab al căldurii în raport cu fierul, chiar dacă apa este un mediu excelent pentru stocarea energiei termice.

De asemenea, este posibil să se utilizeze Legea lui Fourier a conducerii căldurii pentru a defini conductivitatea termică ca viteză transfer de căldură printr-o unitate de grosime a materialului pe unitate de suprafață pe unitate de diferență de temperatură. Conductivitatea termică a unui material este o măsură a capacității materialului de a conduce căldura. O valoare ridicată a conductivității termice indică faptul că materialul este un bun conductor de căldură și o valoare mică indică faptul că este un conductor slab sau că este un Izolator termic.

Difuzivitatea termică

 O altă proprietate a materialelor care participă la analiza conducerii căldurii într-un regim tranzitoriu (sau schimbare) este difuzivitatea termică, care reprezintă cât de repede căldura se difuzează printr-un material și este definită ca continua:

Fiind k al numărătorului conductivitatea termică, iar produsul numitorului densității substanței de căldura specifică reprezintă capacitatea de căldură. Conductivitatea termică arată cât de bine conduce un material căldura, iar capacitatea de căldură reprezintă cantitatea de energie stocată de un material pe unitate de volum. Prin urmare, difuzivitatea termică a unui material poate fi concepută ca raportul dintre căldura condusă prin material și căldura stocată pe unitate de volum.

Un material care are o conductivitate termică ridicată sau o capacitate termică redusă are în cele din urmă o difuzivitate termică ridicată. Cu cât difuzivitatea termică este mai mare, cu atât propagarea căldurii către mediu este mai rapidă. Pe de altă parte, o mică valoare a difuzivității termice înseamnă că, în cea mai mare parte, căldura este absorbită de material și o cantitate mică din această căldură va fi condusă mai departe.

De exemplu, difuzivitățile termice ale cărnii de vită și de apă sunt identice. Logica constă în faptul că carnea, precum și legumele și fructele proaspete, sunt compuse în cea mai mare parte a apei și, prin urmare, au proprietățile sale termice.