VARMEOVERFØRING: LOVER, OVERFØRINGSFORMER, EKSEMPLER - FYSISK - 2026

Det er varmeoverføring når energi går fra en kropp til en annen på grunn av temperaturforskjellen mellom de to. Varmeoverføringsprosessen opphører så snart temperaturen på kroppene i kontakten er lik eller når kontakten mellom dem fjernes.

Mengden energi som overføres fra en kropp til en annen i et gitt tidsrom kalles overført varme. En kropp kan gi varme til en annen, eller den kan absorbere den, men varmen går alltid fra kroppen med den høyeste temperaturen til kroppen med den laveste temperaturen.

Figur 1. I en bål er det de tre mekanismene for varmeoverføring: ledning, konveksjon og stråling. Kilde: Pixabay.

Varmenhetene er de samme som for energi, og i det internasjonale målesystemet (SI) er det joule (J). Andre ofte brukte varmeenheter er kalorien og BTU.

Når det gjelder de matematiske lovene som styrer varmeoverføring, er de avhengige av mekanismen som er involvert i utvekslingen.

Når varme ledes fra et legeme til et annet, er hastigheten som varmeveksles proporsjonal med temperaturforskjellen. Dette er kjent som Fouriers lov om termisk konduktivitet, som fører til Newtons lov om kjøling.

Skjemaer / mekanismer for varmeoverføring

Det er måtene varme kan utveksles mellom to kropper. Tre mekanismer gjenkjennes:

-Kjøring

Kombi

-Stråling

I en gryte som den som er vist på figuren over, er det disse tre varmeoverføringsmekanismene:

-Metallet i gryten blir hovedsakelig oppvarmet ved ledning.

-Vannet og luften varmes opp og stiger ved konveksjon.

-Personer nær potten blir varmet av strålingen som sendes ut.

Kjøring

Varmeledning forekommer mest i faste stoffer og spesielt i metaller.

Ovnen på kjøkkenet overfører for eksempel varme til maten inne i gryten gjennom ledningsmekanismen gjennom metallets bunn og metallveggene i beholderen. I termisk ledning er det ingen materialtransport, bare energi.

konveksjon

Konveksjonsmekanismen er typisk for væsker og gasser. Disse er nesten alltid mindre tette ved høyere temperaturer, av denne grunn er det en oppoverføring av varme fra de varmere fluidpartiene til de høyere områdene med kaldere fluidpartier. I konveksjonsmekanismen er det materiell transport.

Stråling

Strålingsmekanismen tillater på sin side varmeveksling mellom to kropper selv når de ikke er i kontakt. Det umiddelbare eksemplet er Solen, som varmer jorden gjennom det tomme rommet mellom dem.

Alle kropper avgir og absorberer elektromagnetisk stråling. Hvis du har to kropper ved forskjellige temperaturer, selv i vakuum, vil de etter en stund nå samme temperatur på grunn av varmeutveksling ved hjelp av elektromagnetisk stråling.

Varmeoverføringshastighet

I termodynamiske systemer i likevekt er mengden av total varme som utveksles med omgivelsene viktig, slik at systemet går fra en likevektstilstand til en annen.

På den annen side, innen varmeoverføring, er interessen fokusert på det forbigående fenomenet, når systemene ennå ikke har nådd termisk likevekt. Det er viktig å merke seg at varmemengden blir utvekslet i en viss periode, det vil si at det er en hastighet på varmeoverføring.

eksempler

- Eksempler på varmeledning

I termisk ledningsevne overføres varmeenergien gjennom kollisjoner mellom atomene og molekylene i materialet, enten dette er fast, væske eller gass.

Faststoffer er bedre ledere av varme enn gasser og væsker. I metaller er det gratis elektroner som kan bevege seg gjennom metallet.

Ettersom frie elektroner har høy mobilitet, er de i stand til å overføre kinetisk energi gjennom kollisjoner mer effektivt, og det er derfor metaller har høy varmeledningsevne.

Fra det makroskopiske synspunkt måles varmeledningsevnen som den overførte varmen per tidsenhet, eller kaloristrøm H:

Figur 2. Varmeledning gjennom en stang. Utarbeidet av Fanny Zapata.

Den kaloriske strømmen H er proporsjonal med tverrsnittet av område A og variasjonen i temperatur per enhet i lengderetningen.

Denne ligningen er brukt til å beregne den aktuelle kalori H på en stolpe som den i figur 2, som ligger mellom to reservoarer av temperatur T- ₁ og T- ₂ henholdsvis, hvor T ₁ > T ₂ .

Termisk konduktivitet av materialer

Nedenfor er en liste over varmeledningsevnen til noen materialer i watt per meter per kelvin: W / (m. K)

Aluminium -------- 205

Kobber --------- 385

Sølv ---------- 400

Stål ---------– 50

Kork eller glassfiber - 0,04

Betong eller glass ----- 0,8

Tre ----- 0,05 til 0,015

Luft --------– 0.024

- Eksempler på konveksjonsvarme

Ved varmekonveksjon overføres energi på grunn av fluidets bevegelse, som ved forskjellige temperaturer har forskjellige tettheter. For eksempel, når vann kokes i en gryte, øker vannet nær bunnen temperaturen, så det utvides.

Denne utvidelsen får varmtvannet til å stige, mens det kalde går ned for å okkupere plassen som er igjen av det varme vannet som steg opp. Resultatet er en sirkulasjonsbevegelse som fortsetter til temperaturen på alle nivåer utjevnes.

Konveksjon er det som bestemmer bevegelsen av store luftmasser i jordas atmosfære og også bestemmer sirkulasjonen av marine strømmer.

- Eksempler på strålingsvarme

I mekanismene for varmeoverføring ved ledning og ved konveksjon, er tilstedeværelsen av et materiale nødvendig for at varmen skal overføres. I kontrast, i strålingsmekanismen, kan varme passere fra et legeme til et annet gjennom et vakuum.

Dette er den mekanismen som solen, ved en høyere temperatur enn jorden, overfører energi til planeten vår direkte gjennom vakuumet i rommet. Stråling kommer til oss gjennom elektromagnetiske bølger.

Alle materialer er i stand til å avgi og absorbere elektromagnetisk stråling. Maksimum for den utsendte eller absorberte frekvensen avhenger av temperaturen på materialet, og denne frekvensen øker med temperaturen.

Den dominerende bølgelengden i utslipps- eller absorpsjonsspekteret til en svart kropp følger Wiens lov, som sier at den dominerende bølgelengden er proporsjonal med det inverse av kroppstemperatur.

På den annen side er kraften (i watt) som et legeme avgir eller tar opp varmeenergi med elektromagnetisk stråling proporsjonal med den fjerde kraften til den absolutte temperaturen. Dette er kjent som Stefanus lov:

P = εAσT ⁴

I det ovenstående uttrykk σ er Stefan konstant og dens verdi er 5,67 x 10-8 W / m ² K ⁴ . A er overflatearealet på kroppen og ε er emissiviteten til materialet, en dimensjonsløs konstant hvis verdi er mellom 0 og 1, og avhenger av materialet.

Trening løst

Tenk stangen på figur 2. Anta at stangen er 5 cm lang, 1 cm i radius og er laget av kobber.

Stangen er plassert mellom to vegger som holder temperaturen konstant. Den første veggen har en temperatur T1 = 100 ºC, mens den andre er på T2 = 20 ºC. Fastslå:

a.- Verdien på den termiske strømmen H

b.- Temperaturen på kobberstangen er 2 cm, 3 cm og 4 cm fra veggen til temperaturen T1.

Løsning på

Når kobberstangen plasseres mellom to vegger hvis vegger hele tiden har samme temperatur, kan det sies at den er i jevn tilstand. Med andre ord, den termiske strømmen H har den samme verdien for ethvert øyeblikk.

For å beregne denne strømmen bruker vi formelen som relaterer strømmen H til forskjellen i temperaturer og lengden på stangen.

Tverrsnittsområdet er:

A = πR ² = 3,14 * (1 × 10 ^-2 m) ² = 3,14 x 10 ^-4 m ²

Temperaturdifferansen mellom endene av stangen er

ΔT = (100ºC - 20ºC) = (373K - 293K) = 80K

Δx = 5 cm = 5 x 10 ^-2 m

H = 385 W / (m K) * 3,14 x 10 ^-4 m ² * (80 K / 5 x 10 ^-2 m) = 193,4 W

Denne strømmen er den samme når som helst på linjen og når som helst, siden jevn tilstand er nådd.

Løsning b

I denne delen blir vi bedt om å beregne temperaturen Tp på et punkt P som ligger i en avstand Xp fra veggen T ₁ .

Uttrykket som gir kaloristrømmen H ved punkt P er:

Fra dette uttrykket kan Tp beregnes ved:

La oss beregne temperaturen Tp på henholdsvis 2 cm, 3 cm og 4 cm stilling, og erstatte numeriske verdier:

• Tp = 340,6K = 67,6 ° C; 2 cm fra T1
• Tp = 324,4K = 51,4 ° C; 3 cm fra T1
• Tp = 308,2K = 35,2 ° C; 4 cm fra T1

referanser

1. Figueroa, D. 2005. Series: Physics for Sciences and Engineering. Volum 5. Væsker og termodynamikk. Redigert av Douglas Figueroa (USB).
2. Kirkpatrick, L. 2007. Fysikk: En titt på verden. 6. forkortede utgave. Cengage Learning.
3. Lay, J. 2004. General Physics for Engineers. USACH.
4. Mott, R. 2006. Fluid Mechanics. Fjerde. Edition. Pearson Education.
5. Strangeways, I. 2003. Måling av det naturlige miljøet. Andre. Edition. Cambridge University Press.
6. Wikipedia. Termisk ledningsevne. Gjenopprettet fra: es.wikipedia.com