Vrste prenosa toplote: koeficient toplotne prehodnosti

2024 Avtor: Howard Calhoun | [email protected]. Nazadnje spremenjeno: 2023-12-17 10:40

Vsako materialno telo ima tako lastnost, kot je toplota, ki se lahko poveča in zmanjša. Toplota ni materialna snov: kot del notranje energije snovi nastane kot posledica gibanja in interakcije molekul. Ker se toplota različnih snovi lahko razlikuje, gre za proces prenosa toplote iz bolj vroče snovi na snov z manj toplote. Ta proces se imenuje prenos toplote. V tem članku bomo obravnavali glavne vrste prenosa toplote in mehanizme njihovega delovanja.

Določanje prenosa toplote

Prenos toplote ali proces prenosa temperature se lahko pojavi tako znotraj snovi kot iz ene snovi v drugo. Hkrati je intenzivnost prenosa toplote v veliki meri odvisna od fizikalnih lastnosti snovi, temperature snovi (če pri prenosu toplote sodeluje več snovi) in zakonov fizike. Prenos toplote je proces, ki vedno poteka enostransko. Glavno načelo prenosa toplote je, da najbolj vroče telo vedno odda toploto predmetu z nižjo temperaturo. Na primer, ko likate oblačila, vroč likalnikdaje toplino hlačam in ne obratno. Prenos toplote je od časa odvisen pojav, ki je značilen za nepopravljivo porazdelitev toplote v prostoru.

Mehanizmi za prenos toplote

Mehanizmi toplotne interakcije snovi imajo lahko različne oblike. V naravi obstajajo tri vrste prenosa toplote:

1. Toplotna prevodnost je mehanizem medmolekularnega prenosa toplote z enega dela telesa na drugega ali na drug predmet. Lastnost temelji na nehomogenosti temperature v obravnavanih snoveh.
2. Konvekcija - izmenjava toplote med tekočimi mediji (tekočina, zrak).
3. Akcija sevanja je prenos toplote iz segretih in ogretih teles (virov) zaradi njihove energije v obliki elektromagnetnih valov s konstantnim spektrom.

Poglejmo podrobneje naštete vrste prenosa toplote.

Toplotna prevodnost

Najpogosteje opazimo toplotno prevodnost v trdnih snoveh. Če se pod vplivom kakršnih koli dejavnikov v isti snovi pojavijo območja z različnimi temperaturami, bo toplotna energija iz toplejšega območja prešla na hladno. V nekaterih primerih je ta pojav mogoče opaziti celo vizualno. Na primer, če vzamemo kovinsko palico, recimo iglo, in jo segrejemo na ogenj, potem bomo čez nekaj časa videli, kako se toplotna energija prenaša skozi iglo in na določenem območju tvori sij. Hkrati je na mestu, kjer je temperatura višja, sij svetlejši in, nasprotno, kjer je t nižji, je temnejši. Toplotno prevodnost lahko opazimo tudi med dvema telesoma (vrč vročega čaja in roka)

Intenzivnost prenosa toplotnega toka je odvisna od številnih dejavnikov, katerih razmerje je razkril francoski matematik Fourier. Ti dejavniki vključujejo predvsem temperaturni gradient (razmerje temperaturne razlike na koncih palice do razdalje od enega konca do drugega), površino prečnega prereza telesa in koeficient toplotne prevodnosti (pri vseh snoveh je različna, največja pa je pri kovinah). Najpomembnejši koeficient toplotne prevodnosti opazimo pri bakru in aluminiju. Ni presenetljivo, da se ti dve kovini pogosteje uporabljata pri izdelavi električnih žic. Po Fourierjevem zakonu lahko toplotni tok povečate ali zmanjšate s spremembo enega od teh parametrov.

konvekcijske vrste prenosa toplote

Konvekcija, ki je značilna predvsem za pline in tekočine, ima dve komponenti: medmolekulsko toplotno prevodnost in gibanje (razporeditev) medija. Mehanizem delovanja konvekcije se pojavi na naslednji način: s povečanjem temperature tekoče snovi se njene molekule začnejo gibati bolj aktivno, v odsotnosti prostorskih omejitev pa se volumen snovi poveča. Posledica tega procesa bo zmanjšanje gostote snovi in njeno gibanje navzgor. Osupljiv primer konvekcije je gibanje zraka, ki ga ogreva radiator, od baterije do stropa.

Razlikujte med prostim in prisilnim konvektivnim načinom prenosa toplote. Prenos toplote in gibanje mase v prostem tipu nastane zaradi heterogenosti snovi, to pomeni, da se vroča tekočina dvigne nad hladno naravnonačin brez vpliva zunanjih sil (npr. ogrevanje prostora s centralnim ogrevanjem). Pri prisilni konvekciji se premikanje mase zgodi pod vplivom zunanjih sil, na primer mešanje čaja z žlico.

prenos sevanja

Prenos sevalne ali sevalne toplote lahko poteka brez stika z drugim predmetom ali snovjo, zato je možen tudi v brezzračnem prostoru (vakuum). Sevalni prenos toplote je v večji ali manjši meri lasten vsem telesom in se kaže v obliki elektromagnetnih valov z neprekinjenim spektrom. Odličen primer tega je sonce. Mehanizem delovanja je naslednji: telo nenehno oddaja določeno količino toplote v prostor, ki ga obdaja. Ko ta energija zadene drug predmet ali snov, se njen del absorbira, drugi del preide skozi, tretji del pa se odbije v okolje. Vsak predmet lahko oddaja toploto in absorbira, medtem ko temne snovi lahko absorbirajo več toplote kot svetle.

Kombinirani mehanizmi za prenos toplote

V naravi redko najdemo vrste procesov prenosa toplote ločeno. Veliko pogosteje jih je mogoče videti skupaj. V termodinamiki imajo te kombinacije celo imena, na primer toplotna prevodnost + konvekcija je konvektivni prenos toplote, toplotna prevodnost + toplotno sevanje pa se imenuje sevalno-prevodni prenos toplote. Poleg tega obstajajo takšne kombinirane vrste prenosa toplote, kot so:

• Odvajanje toplote -gibanje toplotne energije med plinom ali tekočino in trdno snovjo.
• Prenos toplote je prenos t iz ene snovi v drugo skozi mehansko oviro.
• Konvektivno-sevalni prenos toplote nastane s kombinacijo konvekcije in toplotnega sevanja.

Vrste prenosa toplote v naravi (primeri)

Prenos toplote v naravi igra veliko vlogo in ni omejen na segrevanje zemeljske oble s sončnimi žarki. Obsežni konvekcijski tokovi, kot je gibanje zračnih mas, v veliki meri določajo vreme na našem planetu.

Toplotna prevodnost zemeljskega jedra vodi do pojava gejzirjev in izbruha vulkanskih kamnin. To je le nekaj primerov prenosa toplote v svetovnem merilu. Skupaj tvorita vrste konvektivnega prenosa toplote in sevalno-prevodne vrste prenosa toplote, potrebne za vzdrževanje življenja na našem planetu.

Uporaba prenosa toplote v antropoloških dejavnostih

Toplota je pomemben sestavni del skoraj vseh proizvodnih procesov. Težko je reči, katero vrsto izmenjave toplote človek najbolj uporablja v nacionalnem gospodarstvu. Verjetno vse tri hkrati. Postopki prenosa toplote se uporabljajo za taljenje kovin, ki proizvajajo široko paleto izdelkov, od vsakdanjih predmetov do vesoljskih plovil.

Izjemnega pomena za civilizacijo so toplotne enote, ki lahko pretvarjajo toplotno energijo v koristno moč. Medlahko jih imenujemo bencinske, dizelske, kompresorske, turbinske enote. Za svoje delo uporabljajo različne vrste prenosa toplote.