Rodzaje wymiany ciepła: współczynnik przenikania ciepła

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2023-12-17 10:38

Każde ciało materialne ma taką charakterystykę jak ciepło, które może wzrastać i maleć. Ciepło nie jest substancją materialną: jako część energii wewnętrznej substancji powstaje w wyniku ruchu i interakcji cząsteczek. Ponieważ ciepło różnych substancji może się różnić, istnieje proces przenoszenia ciepła z gorętszej substancji na substancję o mniejszej ilości ciepła. Ten proces nazywa się przenoszeniem ciepła. W tym artykule rozważymy główne rodzaje wymiany ciepła i mechanizmy ich działania.

Określenie wymiany ciepła

Przenikanie ciepła lub proces przenoszenia temperatury może zachodzić zarówno wewnątrz materii, jak i z jednej substancji do drugiej. Jednocześnie intensywność wymiany ciepła w dużej mierze zależy od fizycznych właściwości materii, temperatury substancji (jeśli w przenoszeniu ciepła bierze udział kilka substancji) oraz praw fizyki. Wymiana ciepła to proces, który zawsze przebiega jednostronnie. Główną zasadą przekazywania ciepła jest to, że najgorętsze ciało zawsze oddaje ciepło obiektowi o niższej temperaturze. Na przykład podczas prasowania ubrań gorące żelazkodaje ciepło spodniom, a nie odwrotnie. Wymiana ciepła to zjawisko zależne od czasu, które charakteryzuje nieodwracalny rozkład ciepła w przestrzeni.

Mechanizmy wymiany ciepła

Mechanizmy termicznego oddziaływania substancji mogą przybierać różne formy. W przyrodzie istnieją trzy rodzaje wymiany ciepła:

1. Przewodnictwo cieplne to mechanizm międzycząsteczkowego przenoszenia ciepła z jednej części ciała do drugiej lub do innego obiektu. Właściwość opiera się na niejednorodności temperatury w rozważanych substancjach.
2. Konwekcja - wymiana ciepła między mediami płynnymi (ciecz, powietrze).
3. Działanie promieniowania polega na przenoszeniu ciepła z nagrzanych i nagrzanych ciał (źródeł) dzięki ich energii w postaci fal elektromagnetycznych o stałym widmie.

Rozważmy bardziej szczegółowo wymienione rodzaje wymiany ciepła.

Przewodność cieplna

Najczęściej przewodność cieplną obserwuje się w ciałach stałych. Jeżeli pod wpływem jakichkolwiek czynników w tej samej substancji pojawią się obszary o różnych temperaturach, to energia cieplna z obszaru cieplejszego przejdzie do obszaru zimnego. W niektórych przypadkach zjawisko to można nawet zaobserwować wizualnie. Na przykład, jeśli weźmiemy metalowy pręt, powiedzmy igłę, i podgrzejemy go do ognia, to po pewnym czasie zobaczymy, jak energia cieplna jest przekazywana przez igłę, tworząc w określonym obszarze poświatę. Jednocześnie w miejscu, gdzie temperatura jest wyższa, blask jest jaśniejszy i odwrotnie, gdzie t jest niższy, jest ciemniejszy. Przewodzenie ciepła można również zaobserwować między dwoma ciałami (kubkiem gorącej herbaty i dłonią)

Intensywność przepływu ciepła zależy od wielu czynników, których stosunek ujawnił francuski matematyk Fourier. Czynniki te obejmują przede wszystkim gradient temperatury (stosunek różnicy temperatur na końcach pręta do odległości od jednego końca do drugiego), pole przekroju ciała i współczynnik przewodności cieplnej (jest inny dla wszystkich substancji, ale najwyższy obserwuje się w metalach). Najbardziej znaczący współczynnik przewodności cieplnej obserwuje się w miedzi i aluminium. Nic dziwnego, że te dwa metale są częściej używane do produkcji przewodów elektrycznych. Zgodnie z prawem Fouriera strumień ciepła można zwiększyć lub zmniejszyć, zmieniając jeden z tych parametrów.

Typy konwekcji wymiany ciepła

Konwekcja, charakterystyczna głównie dla gazów i cieczy, składa się z dwóch elementów: międzycząsteczkowego przewodnictwa cieplnego i ruchu (dystrybucji) ośrodka. Mechanizm działania konwekcji zachodzi w następujący sposób: wraz ze wzrostem temperatury substancji płynnej jej cząsteczki zaczynają się aktywniej poruszać, a przy braku ograniczeń przestrzennych zwiększa się objętość substancji. Konsekwencją tego procesu będzie zmniejszenie gęstości substancji i jej ruch w górę. Uderzającym przykładem konwekcji jest ruch powietrza ogrzewanego przez grzejnik z baterii do sufitu.

Rozróżnij swobodne i wymuszone rodzaje wymiany ciepła. Przenoszenie ciepła i ruch masy w typie swobodnym następuje z powodu niejednorodności substancji, to znaczy, że gorąca ciecz unosi się nad zimną naturalnąsposób bez wpływu sił zewnętrznych (np. ogrzewanie pomieszczenia centralnym ogrzewaniem). Przy wymuszonej konwekcji ruch masy następuje pod wpływem sił zewnętrznych, np. mieszając herbatę łyżeczką.

Promieniowanie cieplne

Przenikanie ciepła przez promieniowanie lub promieniowanie może zachodzić bez kontaktu z innym przedmiotem lub substancją, dlatego jest to możliwe nawet w przestrzeni pozbawionej powietrza (próżni). Radiacyjne przenoszenie ciepła jest w mniejszym lub większym stopniu nieodłączne we wszystkich ciałach i przejawia się w postaci fal elektromagnetycznych o ciągłym widmie. Doskonałym tego przykładem jest słońce. Mechanizm działania jest następujący: ciało w sposób ciągły emituje pewną ilość ciepła do otaczającej go przestrzeni. Kiedy ta energia uderza w inny przedmiot lub substancję, jej część jest pochłaniana, druga część przechodzi, a trzecia część odbija się w środowisku. Każdy przedmiot może zarówno promieniować, jak i pochłaniać ciepło, podczas gdy ciemne substancje są w stanie pochłaniać więcej ciepła niż jasne.

Połączone mechanizmy wymiany ciepła

W naturze rodzaje procesów wymiany ciepła rzadko występują oddzielnie. Znacznie częściej można je zobaczyć razem. W termodynamice kombinacje te mają nawet nazwy, na przykład przewodność cieplna + konwekcja to konwekcyjne przenoszenie ciepła, a przewodność cieplna + promieniowanie cieplne nazywa się przewodzącym promieniowaniem cieplnym. Ponadto istnieją takie kombinowane rodzaje wymiany ciepła, jak:

• Rozpraszanie ciepła -ruch energii cieplnej między gazem lub cieczą a ciałem stałym.
• Przenoszenie ciepła to przenoszenie t z jednej materii na drugą przez przeszkodę mechaniczną.
• Transmisja ciepła konwekcyjno-promieniującego powstaje w wyniku połączenia konwekcji i promieniowania cieplnego.

Rodzaje wymiany ciepła w przyrodzie (przykłady)

Przenikanie ciepła w przyrodzie odgrywa ogromną rolę i nie ogranicza się do ogrzewania kuli ziemskiej przez promienie słoneczne. Rozległe prądy konwekcyjne, takie jak ruch mas powietrza, w dużej mierze determinują pogodę na naszej planecie.

Przewodność cieplna jądra Ziemi prowadzi do pojawienia się gejzerów i erupcji skał wulkanicznych. To tylko kilka przykładów wymiany ciepła w skali globalnej. Razem tworzą typy konwekcyjnego transferu ciepła i radiacyjno-przewodzącego typy transferu ciepła niezbędne do podtrzymania życia na naszej planecie.

Wykorzystanie wymiany ciepła w działalności antropologicznej

Ciepło jest ważnym składnikiem prawie wszystkich procesów produkcyjnych. Trudno powiedzieć, jaki rodzaj wymiany ciepła jest wykorzystywany przez człowieka przede wszystkim w gospodarce narodowej. Prawdopodobnie wszystkie trzy jednocześnie. Procesy wymiany ciepła są wykorzystywane do wytapiania metali, co pozwala na produkcję szerokiej gamy towarów, od przedmiotów codziennego użytku po statki kosmiczne.

Niezwykle ważne dla cywilizacji są jednostki termiczne zdolne do przekształcania energii cieplnej w moc użyteczną. Wśródmożna je nazwać jednostkami benzynowymi, wysokoprężnymi, sprężarkami, turbinami. Do swojej pracy wykorzystują różne rodzaje wymiany ciepła.