Exempel på värmeledning

Körning är tillsammans med konvektion och den strålning, en av de tre värmeöverföringsmekanismerna. Det är överföringen av energi från de mer energiska partiklarna i ett ämne till de intilliggande mindre energiska, som ett resultat av interaktioner mellan dessa partiklar. Ledning kan äga rum i alla fysiska tillstånd, vare sig det är fast, flytande eller gas. I gaser och vätskor beror ledningen på kollisioner och diffusion av molekyler under deras slumpmässiga rörelse. I fasta ämnen beror det på kombinationen av molekylernas vibrationer i ett gitter och transporten av energi med fria elektroner. Det kommer till exempel en tid då en kall konserverad dryck i ett varmt rum värms upp till rumstemperatur. som ett resultat av värmeöverföring genom ledning, från rummet till drycken, genom aluminiumet som utgör burk.

Hastigheten för värmeledning genom ett medium beror på den geometriska konfigurationen av detta, dess tjocklek och det material som det är tillverkat av, samt skillnaden i temperatur över han. Att förpacka en varmvattentank med glasfiber, vilket är ett isolerande material, är känt för att minska värmeförlusthastigheten från den tanken. Ju tjockare isoleringen desto lägre värmeförlust. Det är också känt att en varmvattentank kommer att förlora värme i högre takt när temperaturen i rummet där den är sänkt sänks. Ju större tank, desto större ytarea och följaktligen värmeförlusthastigheten.

En steady state-ledning (som förblir konstant och utan uppenbara fluktuationer) av värme kan övervägas genom en stor platt vägg med tjocklek Δx = L och area A. Skillnaden i temperatur från ena sidan av väggen till den andra är ΔT = T₂-T₁. Experiment har visat att värmeöverföringshastigheten Q genom väggen fördubblas när temperaturskillnaden AT fördubblas från den ena till den andra. en annan sida av den, eller annars, fördubblas området A vinkelrätt mot riktningen för värmeöverföring, men det halveras när tjockleken L på Vägg. Därför dras slutsatsen att hastigheten för värmeledning genom ett plant lager är proportionell mot skillnaden temperatur genom den och till området för värmeöverföring, men den är omvänt proportionell mot skiktets tjocklek; representeras av följande ekvation:

Där proportionalitetskonstanten k är Värmeledningsförmåga av materialet, vilket är ett mått på materialets förmåga att leda värme. I det begränsande fallet med Δxà0 minskar den tidigare ekvationen till dess differentiella form:

Differentiell manifestation kallas Fouriers lag om värmeledning, till ära för J. Fourier, som först uttryckte det i sin text om värmeöverföring 1822. DT / dx-delen kallas Temperaturgradient, som är lutningen för temperaturkurvan på ett T-x-diagram, det vill säga förändringshastigheten för temperatur i förhållande till x, tjockleken på materialet, vid plats x. Sammanfattningsvis indikerar Fouriers lag om värmeledning att värmeledningshastigheten i en riktning är proportionell mot temperaturgradienten i den riktningen. Värme leds i riktning mot sjunkande temperatur och temperaturgradienten blir negativ när den senare minskar med ökande x. Det negativa tecknet i ekvationerna garanterar att värmeöverföringen i positiv x-riktning är en positiv kvantitet.

Området A för värmeöverföring är alltid vinkelrätt mot riktningen för den överföringen. Till exempel, för värmeförlust genom en vägg som är 5 meter lång, 3 meter hög och 25 centimeter tjock, är värmeöverföringsområdet A = 15 kvadratmeter. Det bör noteras att väggtjockleken inte påverkar A.

Värmeledningsförmåga

 Den stora mångfalden av material lagrar värme annorlunda och egenskapen hos Specific Heat C har definierats._P som ett mått på materialets förmåga att lagra termisk energi. Till exempel C_P= 4,18 kJ / Kg * ° C för vatten och 0,45 kJ / Kg * ° C för järn, vid rumstemperatur, indikerar att vatten kan lagra nästan 10 gånger mer energi än järn per massenhet. På samma sätt är värmeledningsförmåga k ett mått på materialets förmåga att leda värme. Till exempel, k = 0,608 W / m * ° C för vatten och 80,2 W / m * ° C för järn, vid rumstemperatur, indikerar att järn leder värme mer än 100 gånger snabbare än vatten. Därför sägs vatten vara en dålig värmeledare i förhållande till järn, även om vatten är ett utmärkt medium för lagring av termisk energi.

Det är också möjligt att använda Fouriers lag om värmeledning för att definiera värmeledningsförmåga som hastighet värmeöverföring genom en enhetstjocklek av materialet per ytenhet per temperaturdifferens. Materialets värmeledningsförmåga är ett mått på materialets förmåga att leda värme. Ett högt värde för värmeledningsförmåga indikerar att materialet är en bra värmeledare och ett lågt värde indikerar att det är en dålig ledare eller att det är en Isolerande termisk.

Termisk diffusivitet

 En annan egenskap hos material som deltar i analysen av värmeledning i ett övergående system (eller förändring) är termisk diffusivitet, som representerar hur snabbt värme diffunderar genom ett material och definieras som Fortsätt:

Att vara k för täljaren representerar värmeledningsförmågan och produkten av nämnaren av ämnets densitet av den specifika värmen värmekapaciteten. Värmeledningsförmåga visar hur väl ett material leder värme och värmekapacitet representerar hur mycket energi ett material lagrar per volymenhet. Därför kan termins diffusivitet hos ett material tänkas som förhållandet mellan värmen som ledes genom materialet och den lagrade värmen per volymenhet.

Ett material som har hög värmeledningsförmåga eller låg värmekapacitet har slutligen hög termisk diffusivitet. Ju högre termisk diffusivitet, desto snabbare blir värmeutbredningen till mediet. Å andra sidan innebär ett litet värde av termisk diffusivitet att värmen till största delen absorberas av materialet och en liten mängd av den värmen kommer att ledas vidare.

Till exempel är de termiska diffusiviteterna för nötkött och vatten identiska. Logiken ligger i det faktum att kött, liksom färska grönsaker och frukter, består till största delen av vatten och följaktligen har sina termiska egenskaper.