HŐÁTADÁS: TÖRVÉNYEK, ÁTVITELI FORMÁK, PÉLDÁK - FIZIKAI - 2026

Van hőátadás, ha energia megy egyik testből a másikba, mivel a hőmérséklet különbség a kettő között. A hőátadási folyamat akkor fejeződik be, amikor az érintkezésbe kerülő test hőmérséklete megegyezik, vagy ha megszűnik a közöttük lévő érintkezés.

Az egyik testből a másikba egy adott ideig átvitt energiamennyiséget átvitt hőnek nevezzük. Az egyik test hőt adhat a másiknak, vagy képes felszívni, de a hő mindig a legmagasabb hőmérsékleten lévő testtől a legalacsonyabb hőmérsékleti testhez vezet.

1. ábra. A tábortűzben a hőátadás három mechanizmusa van: vezetőképesség, konvekció és sugárzás. Forrás: Pixabay.

A hőegységek megegyeznek az energiaegységekkel, és a nemzetközi mérési rendszerben (SI) ez a joule (J). További gyakran használt hőegységek a kalória és a BTU.

Ami a hőátadást szabályozó matematikai törvényeket illeti, ezek a csere mechanizmusától függenek.

Ha hőt vezetünk az egyik testről a másikra, akkor a hőcserélő sebessége arányos a hőmérsékleti különbséggel. Ezt Fourier hővezetési törvényének nevezik, amely Newton hűtési törvényéhez vezet.

A hőátadás formái / mechanizmusai

Ezek azok a módok, amelyekkel a hő két test között kicserélhető. Három mechanizmust elismernek:

-Vezetés

-Konvekció

-Sugárzás

A fenti ábrán láthatóhoz hasonló edényben a következő három hőátadási mechanizmus található:

-Az edényben lévő fém főleg vezetéssel hevül.

-A víz és a levegő melegszik, és konvekcióval emelkedik.

- A fazék közelében lévő embereket a kibocsátott sugárzás melegíti.

Vezetés

A hővezetés többnyire szilárd anyagokban és különösen fémekben fordul elő.

Például a konyhában található kályha hőt továbbít az edény belsejébe az ételhez a vezető mechanizmuson keresztül a tartály aljának fémén és a fém falakon keresztül. A hővezetésnél nincs anyagszállítás, csak energia.

Konvekció

A konvekciós mechanizmus jellemző folyadékokra és gázokra. Ezek szinte mindig kevésbé sűrűek magasabb hőmérsékleten, ezért felfelé halad a hő a melegebb folyadékrészekből a magasabb régiókba, hidegebb folyadékrészekkel. A konvekciós mechanizmusban van anyagszállítás.

Sugárzás

A sugárzási mechanizmus a maga részéről hőcserét tesz lehetővé két test között, még akkor is, ha nincsenek érintkezésben. A közvetlen példa a Nap, amely a köztük lévő üres térön keresztül melegíti a Földet.

Minden test sugároz és elnyeli az elektromágneses sugárzást. Ha két testünk eltérő hőmérsékleten van, még vákuumban is, egy idő múlva ugyanazt a hőmérsékletet fogják elérni az elektromágneses sugárzás hőcseréje miatt.

Hőátviteli sebesség

Az egyensúlyi termodinamikai rendszerekben a környezettel kicserélt teljes hőmennyiség fontos, hogy a rendszer az egyensúlyi állapot egyikről a másikra áthaladjon.

Másrészről, a hőátadással kapcsolatban az érdeklődés az átmeneti jelenségre koncentrál, amikor a rendszerek még nem érték el a hő egyensúlyt. Fontos megjegyezni, hogy a hőmennyiség egy bizonyos ideig megváltozik, vagyis van egy hőátadási sebesség.

Példák

- Példák a hővezetésre

A hővezető képességnél a hőenergiát az anyag atomjai és molekulái, azaz szilárd, folyékony vagy gáz ütközések útján továbbítják.

A szilárd anyagok jobban vezetnek hőt, mint a gázok és a folyadékok. A fémekben vannak szabad elektronok, amelyek áthaladhatnak a fémön.

Mivel a szabad elektronok nagy mozgékonysággal rendelkeznek, képesek hatékonyabban továbbítani a kinetikus energiát az ütközések során, ezért a fémek magas hővezető képességgel bírnak.

Makroszkopikus szempontból a hővezető képességet az egységnyi idő alatt átadott hőmennyiség vagy a H kalóriaáram mérik:

2. ábra: Hővezetés egy rúdon keresztül. Készítette: Fanny Zapata.

A H kalóriaáram arányos az A terület keresztmetszetével és a hőmérséklet hosszanti távolság egységére eső változásával.

Ezt az egyenletet arra használják, hogy kiszámítsák a 2. ábrához hasonló sáv H hőmérsékleti áramát, amely a T ₁ és T ₂ hőmérsékleti tartályok között helyezkedik el, ahol T ₁ > T ₂.

Anyagok hővezető képességei

Az alábbiakban felsoroljuk egyes anyagok hővezető képességét, watt per méter per kelvin: W / (m. K)

Alumínium -------- 205

Réz --------- 385

Ezüst ---------- 400

Acél ---------– 50

Parafa vagy üvegszál - 0,04

Beton vagy üveg ----- 0,8

Fa ---- 0,05 - 0,015

Levegő --------– 0,024

- Példák a konvekciós hőre

Hőkonvekcióban az energia átvitele a folyadék mozgása miatt történik, amelynek különböző hőmérsékleteken eltérő sűrűsége van. Például, amikor vizet forralunk egy edényben, az alján lévő víz megemeli a hőmérsékletét, így kiszélesedik.

Ez a tágulás a melegvíz emelkedését eredményezi, míg a hideg melegvíz megy fel, hogy elfoglalja a felállt forró víz által hagyott helyet. Az eredmény egy keringési mozgás, amely addig folytatódik, amíg minden szint hőmérséklete kiegyenlül.

A konvekció határozza meg a nagy légtömeg mozgását a Föld légkörében, és meghatározza a tengeri áramlatok keringését is.

- Példák a sugárzási hőre

A vezetőképes és konvekciós hőátadási mechanizmusokban egy anyag jelenléte szükséges a hőátvitelhez. Ezzel szemben a sugárzási mechanizmusban a hő egy vákuum révén átjuthat az egyik testről a másikra.

Ez az a mechanizmus, amellyel a Nap a Földnél magasabb hőmérsékleten közvetlenül az űr vákuumán keresztül továbbítja az energiát bolygónkra. A sugárzás elektromágneses hullámok révén érkezik hozzánk.

Minden anyag képes elektromágneses sugárzás kibocsátására és elnyelésére. A kibocsátott vagy elnyelt frekvencia maximuma az anyag hőmérsékletétől függ, és ez a frekvencia a hőmérséklettel növekszik.

A fekete test emissziós vagy abszorpciós spektrumában az uralkodó hullámhossz Wien törvényét követi, amely kimondja, hogy az uralkodó hullámhossz arányos a testhőmérséklet inverzével.

Másrészt az a teljesítmény (wattban), amellyel a test hőenergiát bocsát ki vagy abszorbeál elektromágneses sugárzással, arányos az abszolút hőmérséklet negyedik teljesítményével. Ezt Stefan törvényének nevezik:

P = εAσT ⁴

A fenti kifejezés σ Stefan-állandó, és értéke 5,67 x 10-8 W / m ² K ⁴. A a test felülete és ε az anyag emisszióképessége, olyan méret nélküli állandó, amelynek értéke 0 és 1 között van, és az anyagtól függ.

A feladat megoldódott

Vegye figyelembe a 2. ábrán látható sávot. Tegyük fel, hogy a rúd 5 cm hosszú, 1 cm sugarú és rézből készült.

A rudat két fal közé helyezik, amelyek állandó hőmérsékletet tartanak. Az első fal hőmérséklete T1 = 100ºC, míg a másik hőmérséklete T2 = 20ºC. Határozzuk meg:

a.- A H hőáram értéke

b.- A rézrúd hőmérséklete 2 cm, 3 cm és 4 cm távolságra a T1 hőmérséklettől.

Megoldás

Mivel a rézrúd két fala között helyezkedik el, amelyek falai mindig ugyanazt a hőmérsékletet tartják, azt mondhatjuk, hogy állandó állapotban van. Más szavakkal, a H hőáramnak minden pillanatban ugyanaz az értéke.

Ennek az áramnak a kiszámításához azt a képletet alkalmazzuk, amely a H áramot kapcsolja a hőmérséklet-különbséggel és a rudak hosszával.

A keresztmetszeti terület:

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

A rúd végei közötti hőmérsékleti különbség:

ΔT = (100 ° C - 20 ° C) = (373K - 293K) = 80K

Δx = 5 cm = 5 x 10 ^-2 m

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

Ez az áram ugyanaz a bár bárhol és bármikor, mivel az egyensúlyi állapotot elérték.

B. Megoldás

Ebben a részben felkérjük a Tp hőmérséklet kiszámítását egy P ponton, amely a T ₁ faltól Xp távolságra van.

A kifejezés, amely a P kalibrációs H áramot adja meg:

Ebből a kifejezésből a Tp kiszámítható:

Számítsuk ki a Tp hőmérsékletet 2 cm, 3 cm és 4 cm helyzetben, helyettesítve a numerikus értékeket:

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

Irodalom

1. Figueroa, D. 2005. Sorozat: Fizika a tudomány és a technika számára. 5. kötet. Folyadékok és termodinamika. Szerkesztette Douglas Figueroa (USB).
2. Kirkpatrick, L. 2007. Fizika: pillantás a világra. 6. rövidített kiadás. Cengage tanulás.
3. Lay, J. 2004. Általános fizika a mérnökök számára. USACH.
4. Mott, R. 2006. Fluid Mechanics. 4.. Kiadás. Pearson oktatás.
5. Strangeways, I. 2003. A természeti környezet mérése. 2.. Kiadás. Cambridge University Press.
6. Wikipedia. Hővezető. Helyreállítva: es.wikipedia.com