Przykłady przepisów dotyczących transferu ciepła, przykłady

Istnieje przenoszenie ciepła Kiedy energia przechodzi z jednego ciała do drugiego z powodu różnicy temperatury między nimi. Proces przenoszenia ciepła ustaje, gdy tylko temperatury w kontakcie zostaną wyrównane lub gdy kontakt między nimi zostanie stłumiony.

Ilość energii przeniesionej z jednego ciała do drugiego w określonym okresie Przenoszone ciepło. Jedno ciało może nadać ciepło drugiemu lub może go wchłonąć, ale ciepło zawsze przechodzi z najwyższej temperatury do najniższej temperatury.

Rysunek 1. W ognisku podano trzy mechanizmy transferu ciepła: jazda, konwekcja i promieniowanie. Źródło: Pixabay.

Jednostki cieplne są takie same jak w energii, a w międzynarodowym systemie miar (SI) jest Joule (J). Inne często używane jednostki cieplne to kalorie i BTU. 

Jeśli chodzi o prawa matematyczne rządzące transferem ciepła, zależą one od mechanizmu, który interweniuje w wymianie. 

Gdy ciepło jest prowadzone z jednego ciała do drugiego, prędkość wymieniająca ciepło jest proporcjonalna do różnicy temperatury. Jest to znane jako Prawo Fouriera przewodności cieplnej, co prowadzi do Newton Cooling Law.

[TOC]

Formy/mechanizmy przenoszenia ciepła

Są to sposób, w jakie można wymieniać ciepło między dwoma ciałami. Rozpoznawane są trzy mechanizmy:

-Napędowy

-Konwekcja

-Promieniowanie

W garnku podobnym do tego pokazanego na powyższym rysunku istnieją te trzy mechanizmy przenoszenia ciepła:

-Metal doniczki jest głównie ogrzewany przez jazdę.

-Ciepło wody i powietrza i wznoszą się przez konwekcję.

-Ludzie blisko garnka są ogrzewani przez emitowane promieniowanie.

Napędowy

Przewodnictwo cieplne występuje głównie w ciałach stałych, a zwłaszcza w metalach.

Na przykład klakson kuchenny przenosi ciepło do jedzenia wewnątrz garnka przez metalowy mechanizm jazdy i metalowe ściany pojemnika. W przewodnictwie termicznym nie ma transportu materiałowego, tylko energia.

Konwekcja

Mechanizm konwekcyjny jest typowy dla cieczy i gazów. Prawie zawsze są one mniej gęste w wyższej temperaturze, z tego powodu w rosnącym poczuciu najgorętszego płynu do najgorszego płynu występuje transport ciepła. W mechanizmie konwekcyjnym jest transport materiałowy. 

Może ci służyć: niestabilna równowaga: koncepcja i przykłady

Promieniowanie

Ze swojej strony mechanizm promieniowania umożliwia wymianę ciepła między dwoma ciałami, nawet jeśli nie są w kontakcie. Bezpośrednim przykładem jest słońce, które ogrzewa ziemię przez pustą przestrzeń między nimi. 

Wszystkie ciała emitują i pochłaniają promieniowanie elektromagnetyczne. Jeśli masz dwa ciała w różnych temperaturach, nawet będąc w próżni, po pewnym czasie osiągną tę samą temperaturę z powodu wymiany kalorycznej promieniowania elektromagnetycznego.

Kaloryczna prędkość transferu

W systemach termodynamicznych w równowadze importuje ilość całkowitego ciepła wymienionego z środowiskiem, tak że układ przechodzi z jednej równowagi do drugiego.

Z drugiej strony przenoszenie ciepła, zainteresowanie koncentruje się na zjawisku przejściowym, gdy systemy nie osiągnęły jeszcze równowagi termicznej. Należy zauważyć, że ilość ciepła jest wymieniana w określonym czasie, to znaczy prędkość przenoszenia ciepła.

Przykłady

- Przykłady napędu ciepła

W przewodności cieplnej energia cieplna jest przenoszona przez zderzenia między atomami i cząsteczkami materiału, czy to stałych, cieczy czy gazu. 

Solidne są lepszymi przewodami cieplnymi niż gazy i ciecze. W metalach są bezpłatne elektrony, które mogą poruszać się wokół metalu.

Ponieważ wolne elektrony mają dużą mobilność, są w stanie bardziej efektywnie przekazywać energię kinetyczną, więc metale mają wysoką przewodność cieplną.

Z makroskopowego punktu widzenia przewodność cieplna jest mierzona jako ilość przenoszonego ciepła na jednostkę czasu lub prąd kaloryczny H:

Rysunek 2. Przewodzenie cieplne przez bar. Przygotowane przez Fanny Zapata.

Prąd kaloryczny H jest proporcjonalny do przekroju DO oraz do zmiany temperatury na jednostkę odległości podłużnej.

Poprzednia formuła jest znana jako Prawo Fouriera i stała proporcjonalności k Jest to przewodność cieplna. 

To równanie jest stosowane do obliczenia prądu kalorycznego H paska takiego jak ten na ryc. 2, który znajduje się między dwoma zbiornikami temperatury T₁ I T₂ odpowiednio bycie T₁> T₂.

Przewodnictwo termiczne materiałów

Below there is a list of the thermal conductivity of some watt materials on Kelvin: W/(m . K) 

Może ci służyć: Galileo Galilei i jego wolne prawo upadające

Aluminium -205

Miedź -385

Srebro -400

Stal -50

Kork lub włókno szklane- 0,04

Beton lub szkło -0,8

Drewno- 0,05 do 0,015

Powietrze - 0,024

- Przykłady ciepła według konwekcji

W konwekcji cieplnej energia jest przenoszona z powodu ruchu płynu, który w różnych temperaturach ma różne gęstości. Na przykład, gdy gotowanie wody w garnku wodę blisko dna zwiększa jej temperaturę, więc rozszerza się.

To rozszerzenie powoduje wzrost gorącej wody, podczas gdy zimno zajmuje przestrzeń pozostawioną przez gorącą wodę, która wspinała się. Rezultatem jest ruch krążenia, który trwa do momentu równego temperatury wszystkich poziomów.

Konwekcja jest tą, która określa ruch dużych mas powietrza atmosfery Ziemi, a także określa krążenie prądów morskich.

- Przykłady ciepła według promieniowania

W mechanizmach przenoszenia ciepła przez przewodnictwo i konwekcję wymagana jest obecność materiału, aby ciepło było przekazywane. Z drugiej strony w mechanizmie promieniowania ciepło może przechodzić z jednego ciała do drugiego przez pustkę.

Jest to mechanizm, za pomocą którego słońce, w wyższej temperaturze niż Ziemia, przesyła energię na naszą planetę bezpośrednio przez pustkę przestrzeni. Promieniowanie dociera do nas przez fale elektromagnetyczne.

Wszystkie materiały są zdolne do emitowania i pochłaniania promieniowania elektromagnetycznego. Maksymalna częstotliwość emitowana lub wchłonięta zależy od temperatury materiału i wspomniana częstotliwość rośnie wraz z temperaturą.

Dominująca długość fali w widmie emisji lub absorpcji czarnego ciała Prawo Wien, co stwierdza, że ​​dominująca długość fali jest proporcjonalna do odwrotności temperatury ciała.

Z drugiej strony moc (w watach), z którą ciało emituje lub wchłania energię kaloryczną przez promieniowanie elektromagnetyczne, jest proporcjonalna do czwartej mocy temperatury bezwzględnej. Jest to znane jako STEFAN LAW:

P = εAσt⁴

W poprzednim wyrażeniu σ Jest to stała Stefana, a jego wartość wynosi 5,67 x 10-8 w/m² K⁴. DO Jest to obszar powierzchni ciała i ε Jest to emisyjność materiału, stała bez wymiarów, której wartość wynosi od 0 do 1, i zależy od materiału.

Może ci służyć: proces izobaryczny: formuły, równania, eksperymenty, ćwiczenia

Ćwiczenie rozwiązane

Rozważ pasek na ryc. 2. Załóżmy, że pręt ma o długości 5 cm, 1 cm i ma miedź.

Pasek jest umieszczony między dwiema ścianami, które utrzymują stałą temperaturę. Pierwsza ściana ma temperaturę T1 = 100ºC, podczas gdy druga wynosi T2 = 20ºC. Określić:

Do.- Wartość prądu termicznego H

B.- Temperatura miedzianej przy 2 cm, 3 cm i 4 cm od ściany temperatury T1.

Rozwiązanie

Ponieważ miedziany pręt jest umieszczony między dwiema ścianami, których ściany utrzymują tę samą temperaturę, można powiedzieć, że jest w reżimie stacjonarnym. To znaczy, że prąd termiczny H ma taką samą wartość w dowolnym momencie.

Aby obliczyć ten prąd, stosujemy wzór, który odnosi prąd H do różnicy temperatury i długości pręta.

Ponieważ pręt jest miedzi, wiemy w tabeli wcześniej pokazano, że jego kupon przewodnictwa cieplnego: 385 W/(m k).

Przekrój to:

A = πr² = 3,14*(1 × 10^-2M)² = 3,14 x 10^-4 M²

Różnica temperatur między końcami paska wynosi

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

Δx = 5 cm = 5 x 10^-2 M

H = 385 W/(M K) * 3,14 x 10^-4 M² * (80K /5 x 10^-2 m) = 193,4 w

Ten prąd jest taki sam w dowolnym momencie baru i w dowolnym momencie, ponieważ reżim stacjonarny został osiągnięty.

Rozwiązanie b

W tej części jesteśmy proszeni o obliczenie temperatury TP w danym momencie P znajdujący się w odległości XP Dotyczące ściany T₁.

Wyrażenie, które daje prąd kaloryczny H o punkcie P Jest:

H = k a (t₁ -Tp)/(xp)

Na podstawie tego wyrażenia można go obliczyć TP Poprzez:

Tp = t₁ - (H xp) / (k a) = 373 k - (193,4 W / (385 W / (m k) 3,14 x 10^-4 M²))*XP

TP = 373 K - 1620.4 (K/M) * XP

Obliczmy temperaturę TP Odpowiednio w pozycjach 2 cm, 3 cm i 4 cm, zastępując wartości numeryczne:

• TP = 340,6k = 67,6 ºC; 2 cm od T1
• TP = 324,4K = 51,4 ºC; 3 cm od T1
• TP = 308,2k = 35,2 ºC; 4 cm od T1

Bibliografia

1. Figueroa, zm. 2005. Seria: Fizyka nauk i inżynierii. Tom 5. Płyny i termodynamika. Pod redakcją Douglas Figueroa (USB).
2. Kirkpatrick, L. 2007. Fizyka: spojrzenie na świat. 6. skrócone wydanie. Cengage Learning.
3. Lay, J. 2004. Ogólna fizyka dla inżynierów. Usach.
4. Mott, r. 2006. Mechanika płynów. 4. Wydanie. Edukacja Pearsona. 
5. Dziwne, ja. 2003. Mierzenie naturalnego środowiska. 2. Wydanie. Cambridge University Press.
6. Wikipedia. Przewodność cieplna. Odzyskane z: jest.Wikipedia.com