Пример теплопроводности

Вождение вместе с конвекция и радиация, один из трех механизмов теплопередачи. Это передача энергии от более энергичных частиц вещества к соседним менее энергичным в результате взаимодействия между этими частицами. Проводимость может иметь место в любом физическом состоянии, будь то твердое, жидкое или газовое. В газах и жидкостях проводимость возникает из-за столкновений и диффузии молекул во время их беспорядочного движения. В твердых телах это происходит из-за комбинации колебаний молекул в решетке и переноса энергии свободными электронами. Например, наступит момент, когда холодный консервированный напиток в теплом помещении согреется до комнатной температуры. в результате теплопроводности от комнаты к напитку через алюминий, который составляет может.

Скорость теплопроводности через среду зависит от геометрической конфигурации это, его толщина и материал, из которого он изготовлен, а также разница в температуре он. Известно, что обертывание резервуара с горячей водой стекловолокном, которое является изоляционным материалом, снижает скорость потери тепла из этого резервуара. Чем толще изоляция, тем меньше потери тепла. Также известно, что резервуар для горячей воды будет терять тепло с большей скоростью, когда температура в помещении, в котором он находится, будет понижена. Кроме того, чем больше резервуар, тем больше площадь поверхности и, следовательно, скорость потери тепла.

Установившуюся теплопроводность (которая остается постоянной и без видимых колебаний) можно рассматривать через большую плоскую стенку толщиной Δx = L и площадью A. Разница температур от одной стороны стены к другой составляет ΔT = T₂-T₁. Эксперименты показали, что скорость передачи тепла Q через стенку удваивается, когда разница температур ΔT увеличивается в два раза от одного к другому. с другой стороны, иначе площадь A, перпендикулярная направлению теплопередачи, удваивается, но уменьшается вдвое, когда толщина L Стена. Таким образом, можно сделать вывод, что скорость теплопроводности через плоский слой пропорциональна разности температуры через него и площади теплопередачи, но она обратно пропорциональна толщине этого слоя; представлен следующим уравнением:

Где коэффициент пропорциональности k - это Теплопроводность материала, который является мерой способности материала проводить тепло. В предельном случае Δxà0 предыдущее уравнение сводится к своей дифференциальной форме:

Дифференциальное проявление называется Закон теплопроводности Фурье., в честь Дж. Фурье, который впервые выразил это в своем тексте о теплопередаче в 1822 году. Часть dT / dx называется Температурный градиент, который представляет собой наклон температурной кривой на диаграмме T-x, то есть скорость изменения температуры по отношению к x, толщине материала, в точке x. В заключение, закон теплопроводности Фурье указывает, что скорость теплопроводности в одном направлении пропорциональна градиенту температуры в этом направлении. Тепло проводится в направлении снижения температуры, и градиент температуры становится отрицательным, когда последний уменьшается с увеличением x. Отрицательный знак в уравнениях гарантирует, что теплопередача в положительном направлении x является положительной величиной.

Область теплопередачи A всегда перпендикулярна направлению этой передачи. Например, для потери тепла через стену длиной 5 метров, высотой 3 метра и толщиной 25 сантиметров площадь теплопередачи составляет A = 15 квадратных метров. Следует отметить, что толщина стены не влияет на А.

Теплопроводность

 Большое разнообразие материалов сохраняет тепло по-разному, и было определено свойство удельной теплоемкости C._п как мера способности материала накапливать тепловую энергию. Например, C_п= 4,18 кДж / кг * ° C для воды и 0,45 кДж / кг * ° C для железа при комнатной температуре означает, что вода может хранить почти в 10 раз больше энергии, чем железо на единицу массы. Точно так же теплопроводность k является мерой способности материала проводить тепло. Например, k = 0,608 Вт / м * ° C для воды и 80,2 Вт / м * ° C для железа при комнатной температуре означает, что железо проводит тепло более чем в 100 раз быстрее, чем вода. Поэтому считается, что вода плохо проводит тепло по сравнению с железом, хотя вода является отличной средой для хранения тепловой энергии.

Также можно использовать закон теплопроводности Фурье, чтобы определить теплопроводность как скорость теплопередача через единицу толщины материала на единицу площади при единице разницы температур. Теплопроводность материала - это мера способности материала проводить тепло. Высокое значение теплопроводности указывает на то, что материал является хорошим проводником тепла, а низкое значение указывает на то, что это плохой проводник или что это Изоляция термический.

Температуропроводность

 Еще одно свойство материалов, которое участвует в анализе теплопроводности в переходном режиме (или изменение) - это коэффициент температуропроводности, который показывает, насколько быстро тепло распространяется через материал, и определяется как Продолжай:

Значение k в числителе теплопроводности и произведении знаменателя плотности вещества на удельную теплоемкость представляет собой теплоемкость. Теплопроводность показывает, насколько хорошо материал проводит тепло, а теплоемкость показывает, сколько энергии материал хранит на единицу объема. Следовательно, коэффициент температуропроводности материала можно представить как соотношение между теплотой, проводимой через материал, и теплотой, накопленной на единицу объема.

Материал, который имеет высокую теплопроводность или низкую теплоемкость, в конечном итоге имеет высокий коэффициент температуропроводности. Чем выше коэффициент температуропроводности, тем быстрее распространяется тепло в среду. С другой стороны, небольшое значение коэффициента температуропроводности означает, что по большей части тепло поглощается материалом, а небольшое количество этого тепла будет отводиться дальше.

Например, у говядины и воды одинаковые коэффициенты теплопроводности. Логика заключается в том, что мясо, а также свежие овощи и фрукты по большей части состоят из воды и, следовательно, обладают ее тепловыми свойствами.