Приклад теплопровідності

Водіння - це разом з конвекція та випромінювання, один з трьох механізмів теплопередачі. Це передача енергії від більш енергійних частинок речовини до сусідніх менш енергійних в результаті взаємодій між цими частинками. Проведення може мати місце в будь-якому агрегатному стані, будь то твердий, рідкий або газовий. У газах і рідинах провідність зумовлена ​​зіткненнями і дифузією молекул під час їх випадкового руху. У твердих тілах це пов’язано з поєднанням коливань молекул у решітці та транспорту енергії вільними електронами. Наприклад, настане момент, коли холодний консервований напій в теплому приміщенні прогріється до кімнатної температури. в результаті передачі тепла за допомогою провідності, від приміщення до напою, через алюміній, що входить до складу може.

Швидкість теплопровідності через середовище залежить від геометричної конфігурації це, його товщина і матеріал, з якого вона виготовлена, а також різниця температур в поперечнику він. Відомо, що обгортання резервуара для гарячої води скловолокном, яке є ізолюючим матеріалом, зменшує швидкість втрат тепла від цього резервуару. Чим товщі ізоляція, тим менші втрати тепла. Також відомо, що бак з гарячою водою втрачатиме тепло з більшою швидкістю, коли температура в приміщенні, де він розміщений, знижується. Крім того, чим більший резервуар, тим більша площа поверхні і відповідно швидкість втрат тепла.

Стабільну провідність (яка залишається постійною і без видимих ​​коливань) тепла можна розглядати через велику плоску стінку товщиною Δx = L і площею А. Різниця в температурі з одного боку стіни на іншу становить ΔT = T₂-Т₁. Експерименти показали, що швидкість теплопередачі Q через стінку подвоюється, коли різниця температур ΔT подвоюється з одного на інший. іншої його сторони, або, площа А, перпендикулярна напрямку теплопередачі, подвоюється, але вона зменшується вдвічі, коли товщина L Стіна. Отже, робиться висновок, що швидкість теплопровідності через плоский шар пропорційна різниці температури через нього і до області теплопередачі, але вона обернено пропорційна товщині цього шару; представляється наступним рівнянням:

Де константа пропорційності k дорівнює Теплопровідність матеріалу, що є мірою здатності матеріалу проводити тепло. У граничному випадку Δxà0 попереднє рівняння зводиться до диференціальної форми:

Диференціальний прояв називається Закон Фур'є теплопровідності, на честь Дж. Фур'є, який вперше висловив це у своєму тексті про тепловіддачу в 1822 році. Викликається частина dT / dx Градієнт температури, що є нахилом температурної кривої на діаграмі T-x, тобто швидкістю зміни температури відносно x, товщини матеріалу, в місці x. На закінчення Закон Фур'є теплопровідності вказує, що швидкість теплопровідності в одному напрямку пропорційна градієнту температури в цьому напрямку. Тепло проводиться у напрямку зниження температури, і градієнт температури стає негативним, коли останній зменшується зі збільшенням х. Негативний знак у рівняннях гарантує, що передача тепла в позитивному напрямку х є додатною величиною.

Площа теплопередачі A завжди перпендикулярна напрямку цього переносу. Наприклад, для тепловтрат через стіну довжиною 5 метрів, висотою 3 метри та товщиною 25 сантиметрів площа теплопередачі становить A = 15 квадратних метрів. Слід зазначити, що товщина стіни не впливає на А.

Теплопровідність

 Велика різноманітність матеріалів по-різному зберігає тепло, і було визначено властивість Специфічного Тепла С._P як міра здатності матеріалу накопичувати теплову енергію. Наприклад, С_P= 4,18 кДж / кг * ° C для води та 0,45 кДж / кг * ° C для заліза при кімнатній температурі вказує на те, що вода може зберігати майже в 10 разів більше енергії, ніж залізо на одиницю маси. Подібним чином теплопровідність k є мірою здатності матеріалу проводити тепло. Наприклад, k = 0,608 Вт / м * ° С для води та 80,2 Вт / м * ° С для заліза при кімнатній температурі вказує на те, що залізо проводить тепло більш ніж у 100 разів швидше, ніж вода. Тому вода, як кажуть, є поганим провідником тепла по відношенню до заліза, хоча вода є прекрасним середовищем для зберігання теплової енергії.

Також можна покластися на закон Фур'є теплопровідності для визначення теплопровідності як швидкості тепловіддача через одиницю товщини матеріалу на одиницю площі на одиницю різниці температур. Теплопровідність матеріалу є мірою здатності матеріалу проводити тепло. Високе значення теплопровідності вказує на те, що матеріал є хорошим провідником тепла, а низьке - що це поганий провідник або що він є Ізоляційні тепловий.

Теплова дифузійність

 Ще одна властивість матеріалів, яка бере участь в аналізі теплопровідності в перехідному режимі (або змінюється) - це теплова дифузійність, яка відображає, наскільки швидко тепло дифундує через матеріал, і визначається як продовжувати:

Будучи k чисельника, теплопровідність, а добуток знаменника щільності речовини на питому теплоємність представляє теплоємність. Теплопровідність показує, наскільки матеріал добре проводить тепло, а теплоємність - кількість енергії, яку матеріал зберігає на одиницю об’єму. Отже, теплову дифузійність матеріалу можна уявити як співвідношення між тепловою енергією, що проходить через матеріал, і теплом, що зберігається в одиниці об'єму.

Матеріал, що має високу теплопровідність або низьку теплоємність, в кінцевому підсумку має високу теплопроникність. Чим вища теплопроникність, тим швидше розповсюдження тепла до середовища. З іншого боку, невелике значення теплової дифузійності означає, що здебільшого тепло поглинається матеріалом, і невелика кількість цього тепла буде проводитися далі.

Наприклад, теплові дифузійності яловичини та води однакові. Логіка полягає в тому, що м’ясо, а також свіжі овочі та фрукти складаються з більшої частини води, і, отже, мають свої теплові властивості.