ТЕПЛОПЕРЕДАЧА: ЗАКОНИ, ФОРМИ ПЕРЕДАЧІ, ПРИКЛАДИ - ФІЗИЧНІ - 2025

Існує передача тепла, коли енергія переходить від одного тіла до іншого через різницю температур між ними. Процес передачі тепла припиняється, як тільки температури тіл, що контактують, рівні або коли контакт між ними видаляється.

Кількість енергії, що передається від одного тіла до іншого за певний проміжок часу, називається переданим теплом. Одне тіло може віддавати тепло іншому або воно може поглинати його, але тепло завжди йде від тіла з найвищою температурою до тіла з найнижчою температурою.

Рисунок 1. У багаття є три механізми передачі тепла: провідність, конвекція та випромінювання. Джерело: Pixabay.

Одиниці тепла такі ж, як і енергії, і в міжнародній системі вимірювань (СІ) це джоуль (Дж). Інші часто використовувані одиниці тепла - калорійність і БТУ.

Що стосується математичних законів, які регулюють передачу тепла, вони залежать від механізму, що бере участь в обміні.

Коли тепло проводиться від одного тіла до іншого, швидкість обміну теплом пропорційна перепаду температур. Це відомо як закон Фур'є про теплопровідність, що призводить до закону охолодження Ньютона.

Форми / механізми передачі тепла

Вони є способами, якими теплообмін може обмінюватися між двома тілами. Визнано три механізми:

-Поїзд

-Конвекція

-Радіація

У горщику, подібному до показаного на малюнку вище, є ці три механізми передачі тепла:

-Метал у горщику нагрівається переважно кондуктивністю.

-Вода і повітря нагріваються і піднімаються конвекцією.

-Люди біля горщика нагріваються випромінюванням.

Водіння

Теплопровідність відбувається в основному в твердих тілах і, зокрема, в металах.

Наприклад, піч на кухні передає тепло їжі всередині горщика через механізм провідності через метал дна та металеві стінки ємності. У тепловій провідності немає матеріального транспорту, лише енергія.

Конвекція

Механізм конвекції характерний для рідин і газів. Вони майже завжди менш щільні при більш високих температурах, з цієї причини відбувається транспортування тепла вгору від більш гарячих частин рідини до вищих районів з більш холодними частинами рідини. У механізмі конвекції знаходиться транспортний матеріал.

Випромінювання

Зі свого боку, механізм випромінювання дозволяє обмінюватися теплом між двома тілами, навіть коли вони не контактують. Безпосереднім прикладом є Сонце, яке нагріває Землю через порожній простір між ними.

Усі тіла випромінюють та поглинають електромагнітне випромінювання. Якщо у вас два тіла при різних температурах, навіть перебуваючи у вакуумі, через деякий час вони досягнуть тієї ж температури за рахунок теплообміну електромагнітним випромінюванням.

Швидкість передачі тепла

У рівноважних термодинамічних системах має значення загальна кількість теплоти, що обмінюється з навколишнім середовищем, так що система переходить з одного стану рівноваги в інший.

З іншого боку, в теплопередачі інтерес зосереджений на тимчасовому явищі, коли системи ще не досягли теплової рівноваги. Важливо зазначити, що кількість теплоти обмінюється за певний проміжок часу, тобто є швидкість передачі тепла.

Приклади

- Приклади теплопровідності

У теплопровідності теплова енергія передається через зіткнення між атомами та молекулами матеріалу, будь то твердий, рідкий чи газовий.

Тверді тіла є кращими провідниками тепла, ніж гази та рідини. У металах є вільні електрони, які можуть рухатися через метал.

Оскільки вільні електрони мають велику рухливість, вони здатні передавати кінетичну енергію шляхом зіткнень більш ефективно, через що метали мають високу теплопровідність.

З макроскопічної точки зору теплопровідність вимірюється як кількість теплоти, що передається за одиницю часу, або калорійний струм Н:

Малюнок 2. Провід теплоти через брусок. Підготувала Фанні Сапата.

Калорійний струм Н пропорційний перерізу площі А та коливанню температури на одиницю поздовжньої відстані.

Це рівняння застосовується для обчислення калорійності струму H бар, подібного до фігури 2, що знаходиться між двома резервуарами температури T ₁ і T ₂ відповідно, де T ₁ > T ₂ .

Теплопровідність матеріалів

Нижче наведено перелік теплопровідності деяких матеріалів у ватах на метр на кельвін: Вт / (м. К)

Алюміній -------- 205

Мідь --------- 385

Срібло ---------- 400

Сталь ---------– 50

Корк або склопластик - 0,04

Бетон або скло ----- 0,8

Деревина ----- 0,05 до 0,015

Повітря --------– 0,024

- Приклади конвекційного тепла

При тепловій конвекції енергія передається за рахунок руху рідини, яка при різних температурах має різну щільність. Наприклад, коли в горщику закипає вода, вода біля дна підвищує свою температуру, тому вона розширюється.

Це розширення змушує підняти гарячу воду, а холодна - зайняти простір, залишений гарячою водою, яка піднялася. Результатом є циркуляційний рух, який триває до вирівнювання температури всіх рівнів.

Конвекція - це те, що визначає рух великих повітряних мас в атмосфері Землі, а також визначає циркуляцію морських течій.

- Приклади радіаційного тепла

В механізмах передачі тепла кондукцією та конвекцією необхідна наявність матеріалу для передачі тепла. Навпаки, в механізмі випромінювання тепло може переходити від одного тіла до іншого через вакуум.

Це механізм, за допомогою якого Сонце при більш високій температурі, ніж Земля, передає енергію на нашу планету безпосередньо через вакуум космосу. Випромінювання надходить до нас через електромагнітні хвилі.

Всі матеріали здатні випромінювати та поглинати електромагнітне випромінювання. Максимальна частота випромінюваної або поглиненої частоти залежить від температури матеріалу і ця частота зростає з температурою.

Переважаюча довжина хвилі в спектрі випромінювання або поглинання чорного тіла відповідає закону Вена, де зазначено, що переважна довжина хвилі пропорційна оберненій температурі тіла.

З іншого боку, потужність (у ватах), з якою тіло випромінює або поглинає теплову енергію електромагнітним випромінюванням, пропорційна четвертій потужності абсолютної температури. Це відомо як закон Стефана:

P = εAσT ⁴

У наведеному вище виразі σ - константа Стефана і її значення 5,67 x 10-8 Вт / м ² К ⁴ . А - площа поверхні тіла і ε - випромінювання матеріалу, безрозмірна константа, значення якої становить від 0 до 1, і залежить від матеріалу.

Вправа вирішена

Розглянемо планку на малюнку 2. Припустимо, брусок завдовжки 5 см, радіусом 1 см і виготовлений з міді.

Брусок розміщений між двома стінками, які підтримують його температуру постійною. Перша стінка має температуру T1 = 100ºC, а друга - при T2 = 20ºC. Визначте:

а.- Значення теплового струму Н

б.- Температура мідного бруска на 2 см, на 3 см та на 4 см від стінки температури Т1.

Рішення для

Оскільки мідний брусок розміщений між двома стінами, стіни яких підтримують однакову температуру в усі часи, можна сказати, що він знаходиться в сталому стані. Іншими словами, тепловий струм Н має однакове значення для будь-якого моменту.

Для обчислення цього струму застосуємо формулу, яка пов'язує струм Н з різницею температур і довжини бар.

Площа поперечного перерізу:

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

Різниця температур між торцями бруска становить

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

Δx = 5 см = 5 х 10 ^-2 м

Н = 385 Вт / (м К) * 3,14 х 10 ^-4 м ² * (80 К / 5 х 10 ^-2 м) = 193,4 Вт

Цей струм однаковий у будь-якій точці на смузі та в будь-який момент, оскільки досягнуто стаціонарного стану.

Рішення b

У цій частині нас просять обчислити температуру Tp у точці P, розташованій на відстані Xp від стінки T ₁ .

Вираз, який дає калорійний струм Н у точці Р, становить:

З цього виразу Tp можна обчислити:

Обчислимо температуру Tp у положеннях 2 см, 3 см та 4 см відповідно, підставляючи числові значення:

• Тп = 340,6К = 67,6 ° С; 2 см від Т1
• Tp = 324,4K = 51,4 ° C; 3 см від Т1
• Tp = 308,2K = 35,2 ° C; 4 см від Т1

Список літератури

1. Фігероа, Д. 2005. Серія: Фізика для наук та техніки. Том 5. Рідини та термодинаміка. Під редакцією Дугласа Фігероа (USB).
2. Кіркпатрик, Л. 2007. Фізика: погляд у світ. 6-е скорочене видання. Cengage Learning.
3. Lay, J. 2004. Загальна фізика для інженерів. УСАЧ.
4. Мотт, Р. 2006. Механіка рідин. 4-й. Видання. Пірсон освіта.
5. Strangeways, I. 2003. Вимірювання природного середовища. 2-й. Видання. Cambridge University Press.
6. Вікіпедія. Теплопровідність. Відновлено з: es.wikipedia.com