Primer prevajanja toplote

Vožnja je skupaj z konvekcija in sevanje, eden od treh mehanizmov za prenos toplote. Gre za prenos energije iz bolj energičnih delcev snovi v sosednje manj energijske zaradi interakcij med temi delci. Prevajanje lahko poteka v katerem koli fizikalnem stanju, naj bo to v trdnem, tekočem ali plinskem stanju. V plinih in tekočinah je prevodnost posledica trkov in difuzije molekul med njihovim naključnim gibanjem. V trdnih snoveh je to posledica kombinacije vibracij molekul v mreži in prenosa energije s prostimi elektroni. Na primer, prišel bo čas, ko se hladna pijača v pločevinkah v toplem prostoru segreje na sobno temperaturo. kot rezultat prenosa toplote s prevodnostjo, od prostora do pijače, skozi aluminij, ki sestavlja lahko.

Hitrost prevajanja toplote skozi medij je odvisna od geometrijske konfiguracije to, njegova debelina in material, iz katerega je izdelan, pa tudi razlika v temperaturi on. Znano je, da zavijanje rezervoarja za toplo vodo s steklenimi vlakni, ki so izolacijski materiali, zmanjša stopnjo toplotnih izgub iz tega rezervoarja. Debelejša kot je izolacija, manjše so toplotne izgube. Znano je tudi, da bo rezervoar za toplo vodo hitreje izgubljal toploto, ko bo temperatura prostora, v katerem je nameščen, nižja. Tudi večji kot je rezervoar, večja je površina in posledično stopnja toplotnih izgub.

Upoštevati je mogoče stacionarno prevodnost (ki ostane konstantna in brez očitnih nihanj) toplote skozi veliko ravno steno debeline Δx = L in površine A. Razlika v temperaturi z ene strani stene na drugo je ΔT = T₂-T₁. Poskusi so pokazali, da se hitrost prenosa toplote Q skozi steno podvoji, ko se temperaturna razlika ΔT podvoji od ene do druge. na drugi strani, sicer pa se površina A, pravokotna na smer prenosa toplote, podvoji, vendar se prepolovi, ko je debelina L Zid. Zato se sklene, da je hitrost prevajanja toplote skozi ravno plast sorazmerna z razliko temperature skozi to in na območje prenosa toplote, vendar je obratno sorazmerna z debelino te plasti; je predstavljena z naslednjo enačbo:

Kjer je konstanta sorazmernosti k Toplotna prevodnost materiala, kar je merilo sposobnosti materiala za prevajanje toplote. V omejevalnem primeru Δxà0 se prejšnja enačba zmanjša na svojo diferencialno obliko:

Imenuje se diferencialna manifestacija Fourierjev zakon o toplotni prevodnosti, v čast J. Fourier, ki jo je prvič izrazil v svojem besedilu o prenosu toplote leta 1822. Pokliče se del dT / dx Gradient temperature, ki je naklon temperaturne krivulje na diagramu T-x, to je hitrost spremembe temperature glede na x, debelino materiala, na lokaciji x. Za zaključek Fourierjev zakon o prevodnosti toplote kaže, da je stopnja prevodnosti toplote v eno smer sorazmerna s temperaturnim gradientom v tej smeri. Toplota se vodi v smeri padajoče temperature in temperaturni gradient postane negativen, ko slednja pada s povečevanjem x. Negativni predznak v enačbah zagotavlja, da je prenos toplote v pozitivni smeri x pozitivna količina.

Področje A prenosa toplote je vedno pravokotno na smer tega prenosa. Na primer, pri toplotnih izgubah skozi steno, ki je dolga 5 metrov, visoka 3 metre in debela 25 centimetrov, je območje prenosa toplote A = 15 kvadratnih metrov. Treba je opozoriti, da debelina stene ne vpliva na A.

Toplotna prevodnost

 Velika raznolikost materialov različno shranjuje toploto in določena je lastnost specifične toplote C._P kot merilo sposobnosti materiala za shranjevanje toplotne energije. Na primer C_P= 4,18 kJ / Kg * ° C za vodo in 0,45 kJ / Kg * ° C za železo pri sobni temperaturi kaže, da lahko voda shrani skoraj 10-krat več energije kot železo na enoto mase. Podobno je toplotna prevodnost k merilo sposobnosti materiala za prevajanje toplote. Na primer, k = 0,608 W / m * ° C za vodo in 80,2 W / m * ° C za železo pri sobni temperaturi kaže, da železo toploto prevaja več kot 100-krat hitreje kot voda. Zato naj bi bila voda slabši prevodnik toplote glede na železo, čeprav je voda odličen medij za shranjevanje toplotne energije.

Prav tako je mogoče uporabiti Fourierjev zakon toplotne prevodnosti za določitev toplotne prevodnosti kot hitrosti prenos toplote skozi enoto debeline materiala na enoto površine na enoto temperaturne razlike. Toplotna prevodnost materiala je merilo sposobnosti materiala za prevajanje toplote. Visoka vrednost toplotne prevodnosti kaže, da je material dober prevodnik toplote, nizka vrednost pa, da je slab prevodnik ali da je Izolacijski toplotno.

Toplotna difuzivnost

 Druga lastnost materialov, ki sodeluje pri analizi prevodnosti toplote v prehodnem režimu (oz spreminjanje) je toplotna difuzivnost, ki predstavlja, kako hitro toplota difundira skozi material in je opredeljena kot Nadaljuj:

Kot k števca je toplotna prevodnost in zmnožek imenovalca gostote snovi na specifično toploto predstavlja toplotno sposobnost. Toplotna prevodnost kaže, kako dobro material prevaja toploto, toplotna zmogljivost pa predstavlja, koliko energije material shrani na enoto prostornine. Zato lahko toplotno difuzivnost materiala pojmujemo kot razmerje med toploto, prevedeno skozi material, in toploto, shranjeno na enoto prostornine.

Material, ki ima visoko toplotno prevodnost ali nizko toplotno zmogljivost, ima na koncu visoko toplotno difuzivnost. Večja je toplotna difuzivnost, hitrejše je širjenje toplote na medij. Po drugi strani pa majhna vrednost toplotne difuznosti pomeni, da material večinoma absorbira toploto, manjša količina te toplote pa se bo nadaljevala.

Na primer, toplotne difuznosti govedine in vode so enake. Logika je v tem, da je meso, pa tudi sveža zelenjava in sadje, večino vode sestavljeno iz vode in ima zato svoje termične lastnosti.