SILTUMA PĀRVADE: LIKUMI, PĀRVADES FORMAS, PIEMĒRI - FIZISKĀ - 2025

Ir siltuma pārneses kad enerģija pāriet no viena ķermeņa uz otru, jo temperatūras starpība starp diviem. Siltuma pārneses process tiek pārtraukts, tiklīdz saskarsmē esošo ķermeņu temperatūra ir vienāda vai kad kontakts starp tiem tiek noņemts.

Enerģijas daudzumu, kas noteiktā laika posmā tiek pārnests no viena ķermeņa uz otru, sauc par nodoto siltumu. Viens ķermenis var dot siltumu otram vai arī to absorbēt, bet siltums vienmēr iet no ķermeņa ar visaugstāko temperatūru uz ķermeni ar viszemāko temperatūru.

1. attēls. Ugunskurā ir trīs siltuma pārneses mehānismi: vadītspēja, konvekcija un starojums. Avots: Pixabay.

Siltuma vienības ir tādas pašas kā enerģijas vienībām, un starptautiskajā mērījumu sistēmā (SI) tas ir džouls (J). Citas bieži izmantotās siltuma vienības ir kalorijas un BTU.

Runājot par matemātiskajiem likumiem, kas regulē siltuma pārnesi, tie ir atkarīgi no apmaiņas mehānisma.

Kad siltumu ved no viena ķermeņa uz otru, siltuma apmaiņas ātrums ir proporcionāls temperatūras starpībai. Tas ir pazīstams kā Furjē siltumvadītspējas likums, kas noved pie Ņūtona dzesēšanas likuma.

Siltuma pārneses formas / mehānismi

Tie ir veidi, kā siltumu var apmainīties starp diviem ķermeņiem. Ir atzīti trīs mehānismi:

-Braukšana

-Konvekcija

-Radācija

Tādā katlā, kā parādīts attēlā iepriekš, ir šie trīs siltuma pārneses mehānismi:

-Metālu katlā karsē galvenokārt ar vadīšanu.

-Ūdens un gaiss tiek uzkarsēts un paaugstinās ar konvekciju.

-Cilvēkus pie katla silda izstarotais starojums.

Braukšana

Siltumvadītspēja notiek galvenokārt cietās vielās un īpaši metālos.

Piemēram, virtuves plīts siltumu pārtiek katlā esošajā pārtikā caur vadīšanas mehānismu caur dibena un tvertnes metāla sienām. Siltumvadībā nav materiāla transporta, ir tikai enerģija.

Konvekcija

Konvekcijas mehānisms ir raksturīgs šķidrumiem un gāzēm. Augstākā temperatūrā tās gandrīz vienmēr ir mazāk blīvas, šī iemesla dēļ notiek siltumenerģijas transportēšana uz augšu no karstāka šķidruma porcijām uz augstākiem reģioniem ar aukstāku šķidruma daļu. Konvekcijas mehānismā ir materiāla transportēšana.

Starojums

No savas puses radiācijas mehānisms ļauj veikt siltuma apmaiņu starp diviem ķermeņiem pat tad, ja tie nav saskarē. Tiešais piemērs ir Saule, kas silda Zemi caur tukšo vietu starp tām.

Visi ķermeņi izstaro un absorbē elektromagnētisko starojumu. Ja jums ir divi ķermeņi dažādās temperatūrās, pat atrodoties vakuumā, pēc kāda laika tie sasniegs tādu pašu temperatūru siltuma apmaiņas dēļ ar elektromagnētiskā starojuma palīdzību.

Siltuma pārneses ātrums

Līdzsvara termodinamiskās sistēmās kopējais siltuma daudzums, kas apmainās ar vidi, ir svarīgs, lai sistēma pārietu no viena līdzsvara stāvokļa uz otru.

No otras puses, siltuma pārneses jomā interese tiek pievērsta pārejošai parādībai, kad sistēmas vēl nav sasniegušas termisko līdzsvaru. Ir svarīgi atzīmēt, ka siltuma daudzums tiek apmainīts noteiktā laika posmā, tas ir, ir siltuma pārneses ātrums.

Piemēri

- Siltuma vadīšanas piemēri

Siltumvadītspējas gadījumā siltumenerģija tiek pārvadīta sadursmēs starp materiāla atomiem un molekulām, neatkarīgi no tā, vai tā ir cieta, šķidra vai gāze.

Cietās vielas ir labākas siltuma vadītājas nekā gāzes un šķidrumi. Metālos ir brīvi elektroni, kas var pārvietoties pa metālu.

Tā kā brīvajiem elektroniem ir liela mobilitāte, tie spēj efektīvāk pārvadīt kinētisko enerģiju sadursmju laikā, tāpēc metāliem ir augsta siltumvadītspēja.

No makroskopiskā viedokļa siltumvadītspēju mēra kā siltuma daudzumu, kas nodots laika vienībā, vai kaloriju strāvu H:

2. attēls. Siltuma vadīšana caur stieni. Sagatavojusi Fanny Zapata.

Kaloriju strāva H ir proporcionāla A laukuma šķērsgriezumam un temperatūras izmaiņām gareniskā attāluma vienībā.

Šis vienādojums tiek izmantots, lai aprēķinātu stieņa, piemēram, 2. attēlā, kaloriju strāvu H, kas ir attiecīgi starp diviem temperatūras T ₁ un T ₂ rezervuāriem , kur T ₁ > T ₂ .

Materiālu siltumvadītspēja

Zemāk ir saraksts ar dažu materiālu siltumvadītspēju vatos uz metru uz kelvinu: W / (m. K)

Alumīnijs -------- 205

Varš --------- 385

Sudrabs ---------- 400

Tērauds ---------– 50

Korķis vai stikla šķiedra - 0,04

Betons vai stikls ----- 0,8

Koks ---- 0,05 līdz 0,015

Gaiss --------– 0,024

- Konvekcijas siltuma piemēri

Siltuma konvekcijā enerģija tiek nodota šķidruma kustības dēļ, kurai dažādās temperatūrās ir atšķirīgs blīvums. Piemēram, vārot ūdeni katlā, ūdens apakšā paaugstina tā temperatūru, tāpēc tas izplešas.

Šī izplešanās liek karstajam ūdenim pacelties, bet aukstajam - lejup, lai aizņemtu vietu, ko atstāja karstais ūdens, kas cēlās. Rezultāts ir cirkulācijas kustība, kas turpinās, līdz visu līmeņu temperatūra izlīdzināsies.

Konvekcija ir tā, kas nosaka lielu gaisa masu kustību Zemes atmosfērā, kā arī nosaka jūras straumju cirkulāciju.

- Starojuma siltuma piemēri

Siltuma caurlaidības vadītspējas un konvekcijas mehānismos siltuma pārvadei nepieciešama materiāla klātbūtne. Savukārt starojuma mehānismā siltums no viena ķermeņa uz otru var pāriet caur vakuumu.

Šis ir mehānisms, ar kura palīdzību Saule augstākā temperatūrā nekā Zeme enerģiju uz mūsu planētu pārraida tieši caur kosmosa vakuumu. Starojums pie mums nonāk caur elektromagnētiskiem viļņiem.

Visi materiāli spēj izstarot un absorbēt elektromagnētisko starojumu. Izstarotās vai absorbētās frekvences maksimums ir atkarīgs no materiāla temperatūras, un šī frekvence palielinās līdz ar temperatūru.

Dominējošā viļņa garums melna ķermeņa emisijas vai absorbcijas spektrā seko Vīnes likumam, kurā teikts, ka dominējošais viļņa garums ir proporcionāls ķermeņa temperatūras apgrieztajam lielumam.

No otras puses, jauda (vatos), ar kādu ķermenis izstaro vai absorbē siltuma enerģiju ar elektromagnētiskā starojuma palīdzību, ir proporcionāla absolūtās temperatūras ceturtajai jaudai. Tas ir pazīstams kā Stefana likums:

P = εAσT ⁴

Iepriekš minētajā izteiksmē σ ir Stefana konstante, un tā vērtība ir 5,67 x 10-8 W / m ² K ⁴ . A ir ķermeņa virsmas laukums, un ε ir materiāla izstarojošā spēja, bezizmēra konstante, kuras vērtība ir no 0 līdz 1 un ir atkarīga no materiāla.

Vingrinājums atrisināts

Apsveriet joslu 2. attēlā. Pieņemsim, ka josla ir 5 cm gara, 1 cm rādiusā un izgatavota no vara.

Stieni novieto starp divām sienām, kas uztur tās temperatūru nemainīgu. Pirmās sienas temperatūra ir T1 = 100ºC, bet otra temperatūra ir T2 = 20ºC. Noteikt:

a.- termiskās strāvas vērtība H

b.- Vara stieņa temperatūra 2 cm, 3 cm un 4 cm attālumā no sienas T1.

Risinājums

Tā kā vara stienis ir novietots starp divām sienām, kuru sienas vienmēr uztur vienādu temperatūru, var teikt, ka tā ir vienmērīgā stāvoklī. Citiem vārdiem sakot, termiskajai strāvai H ir tāda pati vērtība jebkurā mirklī.

Lai aprēķinātu šo strāvu, mēs izmantojam formulu, kas saista strāvu H ar temperatūras starpību un joslas garumu.

Šķērsgriezuma laukums ir:

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

Temperatūras starpība starp stieņa galiem ir

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

Δx = 5 cm = 5 x 10 ^-2 m

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

Šī strāva ir vienāda jebkurā joslas vietā un jebkurā brīdī, kopš ir sasniegts līdzsvara stāvoklis.

Risinājums b

Šajā daļā mums tiek lūgts aprēķināt temperatūru Tp punktā P, kas atrodas attālumā Xp no sienas T ₁ .

Izteiciens, kas P punktā dod kaloriju strāvu H, ir:

No šī izteiksmes Tp var aprēķināt pēc:

Aprēķināsim temperatūru Tp attiecīgi 2 cm, 3 cm un 4 cm pozīcijās, aizstājot skaitliskās vērtības:

• Tp = 340,6K = 67,6 ° C; 2 cm attālumā no T1
• Tp = 324,4K = 51,4 ° C; 3 cm no T1
• Tp = 308,2K = 35,2 ° C; 4 cm no T1

Atsauces

1. Figueroa, D. 2005. Sērija: Zinātņu un inženierzinātņu fizika. 5. tilpums. Šķidrumi un termodinamika. Rediģēja Douglas Figueroa (USB).
2. Kirkpatrick, L. 2007. Fizika: skats uz pasauli. 6. saīsināts izdevums. Cengage mācīšanās.
3. Lay, J. 2004. Vispārīgā fizika inženieriem. USACH.
4. Mott, R. 2006. Fluid Mechanics. 4. Izdevums. Pīrsona izglītība.
5. Strangeways, I. 2003. Dabiskās vides mērīšana. 2. Izdevums. Cambridge University Press.
6. Wikipedia. Siltumvadītspēja. Atgūts no: es.wikipedia.com