LÄMMÖNSIIRTO: LAIT, SIIRTOMUODOT, ESIMERKIT - FYYSINEN - 2026

On lämmön siirtyminen, kun energiaa siirtyy yhden elimen toiseen, koska lämpötilaero näiden kahden välillä. Lämmönsiirtoprosessi loppuu heti, kun kosketuksessa olevien kappaleiden lämpötilat ovat yhtä suuret tai kun niiden välinen kosketus poistetaan.

Kehosta toiseen tietyn ajanjakson aikana siirretyn energian määrää kutsutaan siirretyksi lämmöksi. Yksi ruumis voi antaa lämpöä toiselle tai se voi absorboida sitä, mutta lämpö menee aina korkeimmasta lämpötilasta tulevasta ruumiista matalaan lämpötilaan.

Kuva 1. Nuotiossa on kolme lämmönsiirtomekanismia: johtavuus, konvektio ja säteily. Lähde: Pixabay.

Lämpöyksiköt ovat samat kuin energian yksiköt ja kansainvälisessä mittausjärjestelmässä (SI) se on jouli (J). Muita usein käytettyjä lämpöyksiköitä ovat kalori ja BTU.

Lämmönsiirtoa säätelevien matemaattisten lakien suhteen ne riippuvat vaihtoon liittyvästä mekanismista.

Kun lämpöä johdetaan kehosta toiseen, lämmön vaihtonopeus on verrannollinen lämpötilaeroon. Tätä kutsutaan Fourierin lämmönjohtavuuslakeeksi, joka johtaa Newtonin lakiin jäähdytyksestä.

Lämmönsiirtomuodot / -mekanismit

Ne ovat tapoja, joilla lämpö voidaan vaihtaa kahden kehon välillä. Kolme mekanismia tunnustetaan:

-Ajo

Combi

-säteily

Yläkuvassa esitetyn kaltaisessa astiassa on nämä kolme lämmönsiirtomekanismia:

-Kannun metalli lämmitetään pääasiassa johtamalla.

-Vesi ja ilma kuumenevat ja nousevat konvektiolla.

-Potin lähellä olevia ihmisiä kuumentaa säteily.

Ajo

Lämmönjohtavuus tapahtuu pääasiassa kiinteissä aineissa ja erityisesti metalleissa.

Esimerkiksi keittiön liesi siirtää lämpöä ruuan sisälle olevaan ruokaan johtomekanismin kautta pohjan metallin ja astian metalliseinien läpi. Lämmönjohtavuudessa ei ole materiaalin kuljetusta, vain energiaa.

konvektion

Konvektiomekanismi on tyypillinen nesteille ja kaasuille. Nämä ovat melkein aina vähemmän tiheitä korkeissa lämpötiloissa, tästä syystä lämpö siirtyy ylöspäin kuumemmista nesteosista ylemmille alueille kylmempien nesteosien kanssa. Konvektiomekanismissa on materiaalin kuljetusta.

säteily

Säteilymekanismi puolestaan ​​sallii lämmönvaihdon kahden rungon välillä myös silloin, kun ne eivät ole kosketuksessa. Välitön esimerkki on aurinko, joka lämmittää maata tyhjän tilan läpi niiden välillä.

Kaikki kehot lähettävät ja absorboivat sähkömagneettista säteilyä. Jos sinulla on kaksi ruumista eri lämpötiloissa, vaikka olisitkin alipaineessa, jonkin ajan kuluttua ne saavuttavat saman lämpötilan johtuen lämmönvaihdosta sähkömagneettisella säteilyllä.

Lämmönsiirtonopeus

Tasapainoisissa termodynaamisissa järjestelmissä ympäristön kanssa vaihtuneen lämmön kokonaismäärä on tärkeä, niin että järjestelmä siirtyy tasapainotilasta toiseen.

Toisaalta lämmönsiirrossa kiinnostuksen kohteena on siirtymävaiheen ilmiö, kun järjestelmät eivät ole vielä saavuttaneet lämpötasapainoa. On tärkeää huomata, että lämmön määrä vaihtuu tietyssä ajassa, ts. Lämmönsiirtonopeus on nopea.

esimerkit

- Esimerkkejä lämmönjohtavuudesta

Lämmönjohtavuudessa lämpöenergia siirretään törmäyksissä materiaalin atomien ja molekyylien välillä, olipa kyseessä sitten kiinteä, nestemäinen tai kaasullinen.

Kiinteät aineet ovat parempia lämmönjohtimia kuin kaasut ja nesteet. Metalleissa on vapaita elektroneja, jotka voivat liikkua metallin läpi.

Koska vapaiilla elektroneilla on suuri liikkuvuus, ne kykenevät siirtämään kineettisen energian tehokkaammin törmäyksissä, minkä vuoksi metalleilla on korkea lämmönjohtavuus.

Makroskooppisesta näkökulmasta lämmönjohtavuus mitataan yksikön aikayksikössä siirretyn lämmön määränä tai kalorivirta H:

Kuva 2. Lämmönjohtavuus tankin läpi. Valmistaja: Fanny Zapata.

Lämpövirta H on verrannollinen alueen A poikkileikkaukseen ja lämpötilan muutokseen pitkittäisen etäisyyden yksikköä kohti.

Tämä yhtälö on sovellettu laskea kalorien nykyinen H baari, kuten yksi kuviossa 2, joka on välillä kaksi säiliötä lämpötila T ₁ ja T ₂, vastaavasti, missä T ₁ > T ₂.

Materiaalien lämmönjohtavuus

Alla on luettelo joidenkin materiaalien lämmönjohtavuudesta watteina metriä kohti kelviniä kohti: W / (m. K)

Alumiini -------- 205

Kupari --------- 385

Hopea ---------- 400

Teräs ---------– 50

Korkki tai lasikuitu - 0,04

Betoni tai lasi ----- 0,8

Puu ---- 0,05 - 0,015

Ilma --------– 0,024

- Esimerkkejä konvektiolämmöstä

Lämmön konvektiossa energia siirtyy nesteen liikkeen vuoksi, jolla on eri lämpötiloissa erilaiset tiheydet. Esimerkiksi, kun vettä keitetään kattilassa, pohjan lähellä oleva vesi nostaa sen lämpötilaa, joten se laajenee.

Tämä laajennus saa kuuman veden nousemaan, kun taas kylmä laskee alas miehittämään tilan, jonka nousi kuuma vesi jättää. Tuloksena on kiertoliike, joka jatkuu, kunnes kaikkien tasojen lämpötilat tasaantuvat.

Konvektio on se, mikä määrää suurten ilmamassajen liikkumisen Maan ilmakehässä ja määrittelee myös merivirtojen kiertoa.

- Esimerkkejä säteilylämmöstä

Lämmönsiirron mekanismeissa johtavuudella ja konvektiolla lämmön siirtämiseen vaaditaan materiaalin läsnäolo. Sitä vastoin säteilymekanismissa lämpö voi kulkea ruumiista toiseen tyhjön kautta.

Tämä on mekanismi, jolla aurinko välittää maata korkeammassa lämpötilassa energiaa planeetallemme suoraan avaruuden tyhjiön kautta. Säteily tulee meille sähkömagneettisten aaltojen kautta.

Kaikki materiaalit kykenevät lähettämään ja absorboimaan sähkömagneettista säteilyä. Lähetetyn tai absorboituneen taajuuden maksimimäärä riippuu materiaalin lämpötilasta ja tämä taajuus kasvaa lämpötilan mukana.

Hallitseva aallonpituus mustan kappaleen emissiospektrissä tai absorptiospektrissä noudattaa Wienin lakia, jonka mukaan hallitseva aallonpituus on verrannollinen kehon lämpötilan käänteiseen suuntaan.

Toisaalta teho (watteina), jolla keho emittoi tai absorboi lämpöenergiaa sähkömagneettisella säteilyllä, on verrannollinen absoluuttisen lämpötilan neljänteen tehoon. Tätä kutsutaan Stefanin lakiksi:

P = εAσT ⁴

Edellä ilmaisu σ on Stefan vakio ja sen arvo on 5,67 x 10-8 W / m ² K ⁴. A on rungon pinta-ala ja ε on materiaalin emissiokyky, mitaton vakio, jonka arvo on välillä 0 ja 1 ja riippuu materiaalista.

Harjoitus ratkaistu

Tarkastele kuvan 2 tankoa. Oletetaan, että tanko on 5 cm pitkä, 1 cm säteellä ja valmistettu kuparista.

Tanko on sijoitettu kahden seinän väliin, jotka pitävät lämpötilan vakiona. Ensimmäisen seinän lämpötila on T1 = 100ºC, kun taas toisen seinämän lämpötila on T2 = 20ºC. määrittää:

a.- lämpövirran arvo H

b.- Kuparitankojen lämpötila 2 cm, 3 cm ja 4 cm lämpötilan T1 seinästä.

Ratkaisu

Koska kuparitanko on sijoitettu kahden seinän väliin, joiden seinät pitävät koko ajan saman lämpötilan, voidaan sanoa, että se on tasaisessa tilassa. Toisin sanoen lämpövirralla H on sama arvo mihin tahansa hetkeyn.

Tämän virran laskemiseksi käytämme kaavaa, joka yhdistää virran H lämpötilaeroon ja palkin pituuteen.

Poikkileikkauspinta-ala on:

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

Lämpötilaero palkin päiden välillä on

AT = (100 ° C - 20 ° C) = (373K - 293K) = 80K

Ax = 5 cm = 5 x 10 ^-2 m

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

Tämä virta on sama missä tahansa palkin kohdassa ja milloin tahansa, koska vakaa tila on saavutettu.

Ratkaisu b

Tässä osassa meitä pyydetään laskemaan lämpötila Tp pisteessä P, joka sijaitsee etäisyydellä Xp seinästä T ₁.

Lause, joka antaa kalorivirtaan H pisteessä P, on:

Tästä lausekkeesta Tp voidaan laskea:

Lasketaan lämpötila Tp vastaavasti 2 cm, 3 cm ja 4 cm asemissa korvaamalla numeeriset arvot:

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

Viitteet

1. Figueroa, D. 2005. Sarja: Fysiikka tieteiden ja tekniikan aloille. Osa 5: Nesteet ja termodynamiikka. Toimittanut Douglas Figueroa (USB).
2. Kirkpatrick, L. 2007. Fysiikka: Katso maailmaa. Kuudes lyhennetty painos. Cengagen oppiminen.
3. Lay, J. 2004. General Physics for Engineers. USACH.
4. Mott, R. 2006. Fluid Mechanics. 4th. Painos. Pearson koulutus.
5. Strangeways, I. 2003. Luontoympäristön mittaus. 2nd. Painos. Cambridge University Press.
6. Wikipedia. Lämmönjohtokyky. Palautettu osoitteesta: es.wikipedia.com