PRENOS TOPLOTE: ZAKONI, OBLIKE PRENOSA, PRIMERI - FIZIČNO - 2026

Na voljo je prenos toplote , ko energije gre iz enega telesa v drugo zaradi razlike v temperaturi med njima. Proces prenosa toplote preneha takoj, ko so temperature teles v stiku enake ali ko se stik med njimi odstrani.

Količina energije, ki se v določenem časovnem obdobju prenese iz enega telesa v drugo, se imenuje prenesena toplota. Eno telo lahko daje toploto drugemu ali pa jo lahko absorbira, vendar toplota vedno prehaja iz telesa z najvišjo temperaturo v telo z najnižjo temperaturo.

Slika 1. V kresu so trije mehanizmi prenosa toplote: prevodnost, konvekcija in sevanje. Vir: Pixabay.

Enote toplote so enake kot energije in v mednarodnem merilnem sistemu (SI) je joule (J). Druge pogosto uporabljene enote toplote so kalorija in BTU.

Kar zadeva matematične zakone, ki urejajo prenos toplote, so odvisni od mehanizma, ki sodeluje pri izmenjavi.

Kadar se toplota vodi od enega do drugega telesa, je hitrost izmenjave toplote sorazmerna z temperaturno razliko. To je znano kot Fourierov zakon toplotne prevodnosti, kar vodi v Newtonov zakon hlajenja.

Oblike / mehanizmi prenosa toplote

So načini, s katerimi se lahko toplota izmenjuje med dvema telesoma. Priznani so trije mehanizmi:

- Vožnja

-Konvekcija

-Radiation

V loncu, kot je prikazan na zgornji sliki, so trije mehanizmi za prenos toplote:

-Kovina v loncu se segreva predvsem s prevodnostjo.

-Voda in zrak se segrevata in dvigujeta s konvekcijo.

-Ljudje v bližini lonca segrevajo s sevanjem.

Vožnja

Toplotna prevodnost se pojavlja večinoma v trdnih snoveh in zlasti v kovinah.

Na primer, štedilnik v kuhinji oddaja toploto hrani znotraj lonca skozi prevodni mehanizem skozi kovino dna in kovinske stene posode. V toplotni prevodnosti ni materialnega transporta, temveč le energija.

Konvekcija

Konvekcijski mehanizem je značilen za tekočine in pline. Te so pri vedno višjih temperaturah skoraj vedno manj goste, zato pride do prenosa toplote navzgor od vročih delov tekočine do višjih območij s hladnejšimi deli tekočine. V mehanizmu konvekcije je transport materiala.

Sevanje

Mehanizem sevanja namreč omogoča izmenjavo toplote med dvema telesoma, tudi kadar nista v stiku. Neposredni primer je Sonce, ki ogreva Zemljo skozi prazen prostor med njimi.

Vsa telesa oddajajo in absorbirajo elektromagnetno sevanje. Če imate dve telesi pri različnih temperaturah, čeprav sta v vakuumu, čez nekaj časa dosežeta isto temperaturo zaradi izmenjave toplote z elektromagnetnim sevanjem.

Hitrost prenosa toplote

V ravnotežnih termodinamičnih sistemih je pomembna količina celotne toplote, izmenjane z okoljem, tako da sistem prehaja iz enega stanja ravnovesja v drugo.

Po drugi strani je pri prenosu toplote zanimanje usmerjeno v prehodni pojav, ko sistemi še niso dosegli toplotnega ravnovesja. Pomembno je upoštevati, da se količina toplote izmenja v določenem časovnem obdobju, torej obstaja hitrost prenosa toplote.

Primeri

- Primeri toplotne prevodnosti

V toplotni prevodnosti se toplotna energija prenaša s trki med atomi in molekulami materiala, ne glede na to, ali je to trdna, tekoča ali plinska.

Trdne snovi so boljši prevodniki toplote kot plini in tekočine. V kovinah so prosti elektroni, ki se lahko premikajo skozi kovino.

Ker imajo prosti elektroni veliko mobilnost, so sposobni učinkoviteje prenašati kinetično energijo s trki, zato imajo kovine visoko toplotno prevodnost.

Z makroskopskega vidika se toplotna prevodnost meri kot količina prenesene toplote na enoto časa ali kalorični tok H:

Slika 2. Prevajanje toplote skozi drog. Pripravila Fanny Zapata.

Kalorični tok H je sorazmeren preseku območja A in nihanju temperature na enoto vzdolžne razdalje.

Ta enačba velja za izračun kalorij trenutni H bara podobnega tistemu na sliki 2, ki poteka med dvema zbiralnikov temperaturama T ₁ in T ₂ vsakokrat, kadar T ₁ > T ₂ .

Toplotna prevodnost materialov

Spodaj je seznam toplotne prevodnosti nekaterih materialov v vatih na meter na kelvin: W / (m. K)

Aluminij -------- 205

Baker --------- 385

Srebrna ---------- 400

Jeklo ---------– 50

Pluta ali steklena vlakna - 0,04

Beton ali steklo ----- 0,8

Les ----- 0,05 do 0,015

Zrak --------– 0,024

- Primeri konvekcijske toplote

Pri toplotni konvekciji se energija prenaša zaradi gibanja tekočine, ki ima pri različnih temperaturah različne gostote. Na primer, ko v loncu vre voda, voda blizu dna poveča njeno temperaturo, zato se razširi.

Zaradi te širitve se topla voda dvigne, hladna pa se spusti, da zasede prostor, ki ga zapusti vroča voda, ki se je dvignila. Rezultat je kroženje, ki se nadaljuje, dokler se temperature vseh ravni ne izenačijo.

Konvekcija je tisto, kar določa gibanje velikih zračnih mas v Zemljini atmosferi in določa tudi kroženje morskih tokov.

- Primeri sevalne toplote

V mehanizmih prenosa toplote s prevodnostjo in konvekcijo je za prenos toplote potrebna prisotnost materiala. Nasprotno pa v mehanizmu sevanja toplota lahko prehaja iz enega telesa v drugega skozi vakuum.

To je mehanizem, s katerim Sonce pri višji temperaturi kot Zemlja prenaša energijo na naš planet neposredno skozi vesoljski vakuum. Sevanje pride do nas prek elektromagnetnih valov.

Vsi materiali lahko oddajajo in absorbirajo elektromagnetno sevanje. Najvišja oddajna ali absorbirana frekvenca je odvisna od temperature materiala in ta frekvenca narašča s temperaturo.

Prevladujoča valovna dolžina v emisijskem ali absorpcijskem spektru črnega telesa sledi Wienovemu zakonu, ki pravi, da je prevladujoča valovna dolžina sorazmerna s obratno telesno temperaturo.

Po drugi strani je moč (v vatih), s katero telo oddaja ali absorbira toploto z elektromagnetnim sevanjem, sorazmerna s četrto močjo absolutne temperature. To je znano kot Štefanov zakon:

P = εAσT ⁴

V zgornjem izrazu σ je Štefanova konstanta in njena vrednost je 5,67 x 10-8 W / m ² K ⁴ . A je površina telesa in ε je emisivnost materiala, brezdimenzionalna konstanta, katere vrednost je med 0 in 1, in je odvisna od materiala.

Vaja rešena

Oglejte si drog na sliki 2. Predpostavimo, da je palica dolga 5 cm, v polmeru 1 cm in izdelana iz bakra.

Bar je nameščen med dvema stenama, ki ohranjata stalno temperaturo. Prva stena ima temperaturo T1 = 100 ° C, druga pa pri T2 = 20 ° C. Določi:

a.- Vrednost toplotnega toka H

b.- Temperatura bakrene palice na 2 cm, na 3 cm in na 4 cm od stene temperature T1.

Rešitev za

Ker je bakrena palica postavljena med dve steni, katerih stene ves čas vzdržujejo enako temperaturo, lahko rečemo, da je v enakomernem stanju. Z drugimi besedami, toplotni tok H ima enako vrednost za vsak trenutek.

Za izračun tega toka uporabimo formulo, ki povezuje tok H z razliko temperatur in dolžine bar.

Površina prečnega prereza je:

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

Temperaturna razlika med konci palice je

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

Ta tok je enak na kateri koli točki palice in v vsakem trenutku, saj je bilo doseženo ravnotežje.

Rešitev b

V tem delu smo izračunali temperaturo Tp v točki P, ki se nahaja na razdalji Xp od stene T ₁ .

Izraz, ki daje kalorični tok H v točki P, je:

Iz tega izraza lahko Tp izračunamo z:

Izračunamo temperaturo Tp na mestih 2 cm, 3 cm in 4 cm, pri čemer nadomestimo številčne vrednosti:

• Tp = 340,6 K = 67,6 ° C; 2 cm od T1
• Tp = 324,4 K = 51,4 ° C; 3 cm od T1
• Tp = 308,2 K = 35,2 ° C; 4 cm od T1

Reference

1. Figueroa, D. 2005. Serija: Fizika za znanost in tehniko. Zvezek 5. Tekočine in termodinamika. Uredil Douglas Figueroa (USB).
2. Kirkpatrick, L. 2007. Fizika: pogled na svet. 6. skrajšana izdaja. Cengage Learning.
3. Lay, J. 2004. Splošna fizika inženirjev. USACH.
4. Mott, R. 2006. Mehanika tekočin. 4. Izdaja. Pearsonova vzgoja.
5. Strangeways, I. 2003. Merjenje naravnega okolja. 2. Izdaja. Cambridge University Press.
6. Wikipedija. Toplotna prevodnost. Pridobljeno: es.wikipedia.com