Príklad vedenia tepla

Vedenie vozidla je spolu s konvekcia a žiarenie, jeden z troch mechanizmov prenosu tepla. Jedná sa o prenos energie z energetickejších častíc látky do susedných menej energetických častíc v dôsledku interakcií medzi týmito časticami. Vedenie môže prebiehať v akomkoľvek fyzickom stave, či už je to pevné, kvapalné alebo plynné skupenstvo. V plynoch a kvapalinách je vedenie spôsobené kolíziami a difúziou molekúl počas ich náhodného pohybu. V pevných látkach je to vďaka kombinácii vibrácií molekúl v mriežke a transportu energie voľnými elektrónmi. Napríklad príde čas, keď sa studený nápoj v konzervách v teplej miestnosti zahreje na izbovú teplotu. v dôsledku prenosu tepla vedením z miestnosti do nápoja hliníkom, z ktorého sa skladá môcť.

Rýchlosť vedenia tepla médiom závisí od geometrickej konfigurácie to, jeho hrúbka a materiál, z ktorého je vyrobený, ako aj rozdiel v teplotách on. Je známe, že obal nádrže na teplú vodu skleneným vláknom, ktoré je izolačným materiálom, znižuje rýchlosť tepelných strát z tejto nádrže. Čím je izolácia silnejšia, tým menšie sú tepelné straty. Je tiež známe, že zásobník na teplú vodu stratí teplo vyššou rýchlosťou, keď sa zníži teplota v miestnosti, kde je umiestnený. Čím väčšia je nádrž, tým väčšia je povrchová plocha a následne rýchlosť tepelných strát.

Vedenie v ustálenom stave (ktoré zostáva konštantné a bez zjavných výkyvov) tepla možno uvažovať cez veľkú plochú stenu s hrúbkou Δx = L a plochou A. Rozdiel teplôt z jednej strany steny na druhú je ΔT = T₂-T₁. Pokusy ukázali, že rýchlosť prenosu tepla Q cez stenu sa zdvojnásobí, keď sa teplotný rozdiel ΔT zdvojnásobí z jednej na druhú. na jeho druhej strane, alebo inak, plocha A kolmá na smer prenosu tepla je dvojnásobná, ale je zmenšená na polovicu, keď je hrúbka L Stena. Preto sa dospelo k záveru, že rýchlosť vedenia tepla cez plochú vrstvu je úmerná rozdielu teploty cez ňu a do oblasti prenosu tepla, ale je to nepriamo úmerné hrúbke tejto vrstvy; je reprezentovaná nasledujúcou rovnicou:

Kde konštanta proporcionality k je Tepelná vodivosť materiálu, čo je mierou schopnosti materiálu viesť teplo. V limitujúcom prípade Δxà0 sa predchádzajúca rovnica redukuje na svoju diferenciálnu formu:

Diferenciálny prejav sa nazýva Fourierov zákon vedenia tepla, na počesť J. Fourier, ktorý to ako prvý vyjadril vo svojom texte o prestupe tepla v roku 1822. Volá sa dT / dx časť Teplotný gradient, čo je sklon teplotnej krivky na T-x diagrame, to znamená rýchlosť zmeny teploty vzhľadom na x, hrúbku materiálu, v mieste x. Na záver možno povedať, že Fourierov zákon tepelného vedenia naznačuje, že rýchlosť vedenia tepla v jednom smere je úmerná teplotnému gradientu v tomto smere. Teplo sa vedie v smere klesajúcej teploty a teplotný gradient sa stáva záporným, keď teplota klesá so zvyšujúcim sa x. Záporné znamienko v rovniciach zaručuje, že prestup tepla v kladnom smere x je kladná veličina.

Plocha A prestupu tepla je vždy kolmá na smer tohto prestupu. Napríklad pre tepelné straty stenou, ktorá je 5 metrov dlhá, 3 metre vysoká a 25 centimetrov hrubá, je plocha prenosu tepla A = 15 metrov štvorcových. Je potrebné poznamenať, že hrúbka steny neovplyvňuje A.

Tepelná vodivosť

 Veľká rôznorodosť materiálov rôzne uchováva teplo a bola definovaná vlastnosť špecifického tepla C._P ako miera schopnosti materiálu uchovávať tepelnú energiu. Napríklad C_P= 4,18 kJ / Kg * ° C pre vodu a 0,45 kJ / Kg * ° C pre železo pri izbovej teplote naznačuje, že voda môže uchovávať takmer 10-krát viac energie ako železo na jednotku hmotnosti. Podobne je tepelná vodivosť k mierou schopnosti materiálu viesť teplo. Napríklad k = 0,608 W / m * ° C pre vodu a 80,2 W / m * ° C pre železo pri izbovej teplote naznačuje, že železo vedie teplo viac ako stokrát rýchlejšie ako voda. Preto sa o vode hovorí, že je zlým vodičom tepla v porovnaní so železom, aj keď je voda vynikajúcim médiom na ukladanie tepelnej energie.

Pri definovaní tepelnej vodivosti ako rýchlosti je tiež možné spoľahnúť sa na Fourierov zákon vodivosti tepla prestup tepla jednotkovou hrúbkou materiálu na jednotku plochy na jednotku teplotného rozdielu. Tepelná vodivosť materiálu je mierou schopnosti materiálu viesť teplo. Vysoká hodnota tepelnej vodivosti naznačuje, že materiál je dobrým vodičom tepla a nízka hodnota naznačuje, že ide o zlý vodič alebo že ide o Izolačné termálny.

Tepelná difuzivita

 Ďalšia vlastnosť materiálov, ktorá sa podieľa na analýze vedenia tepla v prechodnom režime (alebo meniaci sa) je tepelná difuzivita, ktorá predstavuje rýchlosť difúzie tepla cez materiál a je definovaná ako pokračuj:

K čitateľa je tepelná vodivosť a súčin menovateľa hustoty látky a špecifického tepla predstavuje tepelnú kapacitu. Tepelná vodivosť ukazuje, ako dobre materiál vedie teplo, a tepelná kapacita predstavuje, koľko energie materiál skladuje na jednotku objemu. Preto je možné tepelnú difuzivitu materiálu chápať ako pomer medzi teplom vedeným cez materiál a teplom skladovaným na jednotku objemu.

Materiál, ktorý má vysokú tepelnú vodivosť alebo nízku tepelnú kapacitu, má v konečnom dôsledku vysokú tepelnú difuzivitu. Čím vyššia je tepelná difuzivita, tým rýchlejší je šírenie tepla do média. Na druhej strane malá hodnota tepelnej difuzivity znamená, že z väčšej časti je teplo absorbované materiálom a malé množstvo tohto tepla bude vedené ďalej.

Napríklad tepelná difuzivita hovädzieho a vodného pôvodu je identická. Logické je, že mäso, rovnako ako čerstvá zelenina a ovocie, sa z väčšej časti pripravuje vodou, a teda má svoje tepelné vlastnosti.