ตัวอย่างการนำความร้อน

การขับรถควบคู่ไปกับ การพาความร้อน และ รังสีซึ่งเป็นหนึ่งในสามกลไกการถ่ายเทความร้อน เป็นการถ่ายโอนพลังงานจากอนุภาคที่มีพลังงานมากกว่าของสารไปยังอนุภาคที่มีพลังงานน้อยกว่าที่อยู่ติดกัน อันเป็นผลมาจากปฏิสัมพันธ์ระหว่างอนุภาคเหล่านี้ การนำไฟฟ้าสามารถเกิดขึ้นได้ในทุกสถานะทางกายภาพ ไม่ว่าจะเป็นของแข็ง ของเหลว หรือก๊าซ ในก๊าซและของเหลว การนำเกิดจากการชนและการแพร่กระจายของโมเลกุลระหว่างการเคลื่อนที่แบบสุ่ม ในของแข็งเกิดจากการรวมกันของการสั่นสะเทือนของโมเลกุลในโครงตาข่ายและการขนส่งพลังงานโดยอิเล็กตรอนอิสระ ตัวอย่างเช่น จะมีเวลาที่เครื่องดื่มกระป๋องเย็นๆ ในห้องอุ่นจะอุ่นขึ้นจนถึงอุณหภูมิห้อง อันเป็นผลมาจากการถ่ายเทความร้อนโดยการนำ จากห้องสู่เครื่องดื่ม ผ่านอะลูมิเนียมที่ประกอบเป็น สามารถ.

ความเร็วของการนำความร้อนผ่านตัวกลางขึ้นอยู่กับการกำหนดค่าทางเรขาคณิตของ นี่คือความหนาและวัสดุที่ทำขึ้นตลอดจนความแตกต่างของอุณหภูมิใน เขา. การห่อถังน้ำร้อนด้วยไฟเบอร์กลาสซึ่งเป็นวัสดุฉนวนช่วยลดอัตราการสูญเสียความร้อนจากถังนั้นได้ ฉนวนที่หนาขึ้น การสูญเสียความร้อนจะลดลง เป็นที่ทราบกันดีว่าถังเก็บน้ำร้อนจะสูญเสียความร้อนในอัตราที่สูงขึ้นเมื่ออุณหภูมิของห้องที่วางอยู่ลดลง นอกจากนี้ ยิ่งถังมีขนาดใหญ่เท่าใด พื้นที่ผิวก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้น และส่งผลให้อัตราการสูญเสียความร้อนเพิ่มขึ้น

การนำความร้อนในสภาวะคงที่ (ซึ่งคงที่และไม่มีความผันผวนที่ชัดเจน) สามารถพิจารณาได้ผ่านผนังแบนขนาดใหญ่ที่มีความหนา Δx = L และพื้นที่ A ความแตกต่างของอุณหภูมิจากด้านหนึ่งของผนังไปยังอีกด้านหนึ่งคือ ΔT = T₂-T₁. การทดลองแสดงให้เห็นว่าอัตราการถ่ายเทความร้อน Q ผ่านผนังเพิ่มขึ้นเป็นสองเท่าเมื่อความแตกต่างของอุณหภูมิ ΔT เพิ่มขึ้นเป็นสองเท่าจากที่หนึ่งไปอีกที่หนึ่ง อีกด้านหนึ่งของมัน หรือมิฉะนั้น พื้นที่ A ตั้งฉากกับทิศทางการถ่ายเทความร้อนจะเพิ่มขึ้นเป็นสองเท่า แต่จะลดลงครึ่งหนึ่งเมื่อความหนา L ของ ผนัง. ดังนั้นจึงสรุปได้ว่าความเร็วของการนำความร้อนผ่านชั้นเรียบเป็นสัดส่วนกับความแตกต่าง ของอุณหภูมิที่ผ่านมันและพื้นที่การถ่ายเทความร้อน แต่มันแปรผกผันกับความหนาของชั้นนั้น แสดงโดยสมการต่อไปนี้:

โดยที่ค่าคงที่ของสัดส่วน k คือ การนำความร้อน ของวัสดุซึ่งเป็นตัววัดความสามารถของวัสดุในการนำความร้อน ในกรณีจำกัดของ Δxà0 สมการก่อนหน้านี้จะลดขนาดลงเป็นรูปแบบดิฟเฟอเรนเชียล:

การแสดงความแตกต่างเรียกว่า กฎของการนำความร้อนของฟูริเยร์เพื่อเป็นเกียรติแก่เจ ฟูริเยร์ซึ่งแสดงข้อความนี้เป็นครั้งแรกในข้อความเรื่องการถ่ายเทความร้อนในปี พ.ศ. 2365 ส่วน dT / dx เรียกว่า ไล่ระดับอุณหภูมิซึ่งเป็นความชันของเส้นโค้งอุณหภูมิบนแผนภาพ T-x นั่นคือ อัตราการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิเทียบกับ x ความหนาของวัสดุ ณ ตำแหน่ง x โดยสรุป กฎการนำความร้อนของฟูริเยร์ระบุว่าอัตราการนำความร้อนในทิศทางเดียวเป็นสัดส่วนกับการไล่ระดับอุณหภูมิในทิศทางนั้น ความร้อนดำเนินการในทิศทางของอุณหภูมิที่ลดลง และการไล่ระดับอุณหภูมิจะกลายเป็นลบเมื่อความร้อนลดลงเมื่อค่า x เพิ่มขึ้น เครื่องหมายลบในสมการรับประกันว่าการถ่ายเทความร้อนในทิศทางบวก x เป็นปริมาณบวก

พื้นที่ A ของการถ่ายเทความร้อนจะตั้งฉากกับทิศทางของการถ่ายเทความร้อนเสมอ ตัวอย่างเช่น สำหรับการสูญเสียความร้อนผ่านผนังที่มีความยาว 5 เมตร สูง 3 เมตร และหนา 25 เซนติเมตร พื้นที่การถ่ายเทความร้อนคือ A = 15 ตารางเมตร ควรสังเกตว่าความหนาของผนังไม่มีผลกับ A.

การนำความร้อน

 วัสดุที่หลากหลายมากเก็บความร้อนได้แตกต่างกัน และได้กำหนดคุณสมบัติของความร้อนจำเพาะ C แล้ว_พี เป็นการวัดความสามารถของวัสดุในการเก็บพลังงานความร้อน ตัวอย่างเช่น C_พี= 4.18 kJ / Kg * ° C สำหรับน้ำ และ 0.45 kJ / Kg * ° C สำหรับธาตุเหล็ก ที่อุณหภูมิห้อง แสดงว่าน้ำสามารถเก็บพลังงานได้มากกว่าเหล็กเกือบ 10 เท่าต่อมวลหน่วย ในทำนองเดียวกัน ค่าการนำความร้อน k คือการวัดความสามารถของวัสดุในการนำความร้อน ตัวอย่างเช่น k = 0.608 W / m * ° C สำหรับน้ำ และ 80.2 W / m * ° C สำหรับเตารีด ที่อุณหภูมิห้อง แสดงว่าเหล็กนำความร้อนได้เร็วกว่าน้ำ 100 เท่า ดังนั้น กล่าวกันว่าน้ำเป็นตัวนำความร้อนที่ไม่ดีเมื่อเทียบกับเหล็ก แม้ว่าน้ำจะเป็นสื่อกลางที่ดีเยี่ยมในการเก็บพลังงานความร้อน

นอกจากนี้ยังสามารถใช้กฎการนำความร้อนของฟูริเยร์เพื่อกำหนดการนำความร้อนเป็นความเร็ว การถ่ายเทความร้อนผ่านความหนาหน่วยของวัสดุต่อหน่วยพื้นที่ต่อหน่วยความแตกต่างของอุณหภูมิ ค่าการนำความร้อนของวัสดุเป็นตัววัดความสามารถของวัสดุในการนำความร้อน ค่าการนำความร้อนที่สูงแสดงว่าวัสดุนั้นเป็นตัวนำความร้อนที่ดีและค่าต่ำแสดงว่าเป็นตัวนำที่ไม่ดีหรือเป็น ฉนวน ความร้อน

การกระจายความร้อน

 คุณสมบัติอื่นของวัสดุที่มีส่วนร่วมในการวิเคราะห์การนำความร้อนในระบอบการปกครองชั่วคราว (หรือ การเปลี่ยนแปลง) คือการกระจายความร้อนซึ่งแสดงถึงความร้อนที่กระจายผ่านวัสดุได้อย่างรวดเร็วและถูกกำหนดเป็น ต่อไป:

การเป็น k ของตัวเศษคือการนำความร้อน และผลิตภัณฑ์ของตัวหารของความหนาแน่นของสารโดยความร้อนจำเพาะแสดงถึงความจุความร้อน ค่าการนำความร้อนแสดงให้เห็นว่าวัสดุนำความร้อนได้ดีเพียงใด และความจุความร้อนแสดงปริมาณพลังงานที่วัสดุเก็บไว้ต่อปริมาตรหน่วย ดังนั้น การกระจายความร้อนของวัสดุสามารถคิดได้ว่าเป็นอัตราส่วนระหว่างความร้อนที่ส่งผ่านวัสดุและความร้อนที่เก็บไว้ต่อหน่วยปริมาตร

วัสดุที่มีค่าการนำความร้อนสูงหรือความจุความร้อนต่ำในท้ายที่สุดจะมีการกระจายความร้อนสูง ยิ่งมีการกระจายความร้อนสูงเท่าใด การกระจายความร้อนไปยังตัวกลางก็จะยิ่งเร็วขึ้นเท่านั้น ในทางกลับกัน ค่าการกระจายความร้อนเพียงเล็กน้อยหมายความว่าโดยส่วนใหญ่แล้ว ความร้อนจะถูกดูดซับโดยวัสดุและความร้อนจำนวนเล็กน้อยจะถูกนำมาใช้ต่อไป

ตัวอย่างเช่น การกระจายความร้อนของเนื้อวัวและน้ำนั้นเหมือนกัน ตรรกะอยู่ที่ความจริงที่ว่าเนื้อสัตว์ ผักและผลไม้สด ประกอบขึ้นจากน้ำเป็นส่วนใหญ่ และเป็นผลให้มีคุณสมบัติทางความร้อน