Värmeöverföringslagar, former av överföring, exempel

Existerar värmeöverföring När energi går från en kropp till en annan på grund av temperaturskillnaden mellan de två. Värmeöverföringsprocessen upphör så snart temperaturen på kropparna i kontakt utjämnas eller när kontakten mellan dem undertrycks.

Mängden energi som överförs från en kropp till en annan under en viss tidpunkt kallas Värme överförd. En kropp kan ge värme till en annan, eller den kan ta upp den, men värmen går alltid från den högsta temperaturkroppen till den lägsta temperaturen.

Figur 1. I ett bål ges de tre mekanismerna för värmeöverföring: körning, konvektion och strålning. Källa: Pixabay.

Värmeenheterna är desamma som energi och i det internationella måttsystemet (SI) är Joule (J). Andra ofta använda värmeenheter är kalori och BTU. 

När det gäller de matematiska lagarna som styr värmeöverföring beror dessa på mekanismen som ingriper i utbytet. 

När värme utförs från en kropp till en annan är hastigheten med vilken värme byts ut proportionell mot temperaturskillnaden. Detta är känt som Fouriers lag av värmeledningsförmåga, vilket leder till Newton Cooling Law.

[TOC]

Former/värmeöverföringsmekanismer

Det är de sätt som värme kan bytas mellan två kroppar. Tre mekanismer erkänns:

-Körning

-Konvektion

-Strålning

I en kruka som den som visas i figuren ovan finns dessa tre värmeöverföringsmekanismer:

-Potten metall värms huvudsakligen genom att köra.

-Vatten och luftvärme och stiger upp genom konvektion.

-Människor nära potten värms upp av den utsända strålningen.

Körning

Värmeledning sker mestadels i fasta ämnen och i synnerhet i metaller.

Till exempel överför kökshornet värme till mat inuti potten genom metallkörningsmekanismen och behållarens metallväggar. Vid termisk ledning finns det ingen materiell transport, bara energi.

Konvektion

Konvektionsmekanismen är typisk för vätskor och gaser. Nästan alltid är dessa mindre täta vid en högre temperatur, av detta skäl finns det en värmtransport i stigande mening av den hetaste vätskan till de höga regionerna med den kallaste vätskan. I konvektionsmekanismen finns materiell transport. 

Kan tjäna dig: instabil balans: koncept och exempel

Strålning

För sin del tillåter strålningsmekanismen värmeutbyte mellan två kroppar även om de inte är i kontakt. Det omedelbara exemplet är solen, som värmer jorden genom det tomma utrymmet mellan de två. 

Alla kroppar avger och absorberar elektromagnetisk strålning. Om du har två kroppar vid olika temperaturer, till och med i vakuum, kommer de efter ett tag att nå samma temperatur på grund av kaloriutbytet av elektromagnetisk strålning.

Kaloriververingshastighet

I de termodynamiska systemen i balans importerar den mängden total värme som utbyts med miljön, så att systemet passerar från en jämvikt till en annan.

Å andra sidan fokuserar värmeöverföring, intresse på det övergående fenomenet, när systemen ännu inte har nått termisk balans. Det är viktigt att notera att mängden värme byts ut under en viss tidsperiod, det vill säga det finns en värmeöverföringshastighet.

Exempel

- Exempel på värmekörning

Vid värmeledningsförmåga överförs värmeenergin genom kollisioner mellan materialets atomer och molekyler, vare sig denna fasta, vätska eller gas. 

Fasta ämnen är bättre värmeledare än gaser och vätskor. I metaller finns det gratis elektroner som kan röra sig runt metall.

Eftersom fria elektroner har stor rörlighet kan de överföra kinetisk energi genom kollisioner mer effektivt, så metaller har hög värmeledningsförmåga.

Från den makroskopiska synvinkeln mäts värmeledningsförmågan som mängden överförd värme per tidsenhet, eller kalorirant H:

figur 2. Värmeledning genom en bar. Förberedd av Fanny Zapata.

Kalorisk ström H är proportionell mot tvärsnitt TILL och till temperaturvariationen per enhet med längsgående avstånd.

Den tidigare formeln kallas Fouriers lag och proportionalitetskonstanten k Det är värmeledningsförmågan. 

Denna ekvation tillämpas för att beräkna kaloriströmmen H av en stapel som den i figur 2, som är mellan två temperaturbehållare T₁ och T₂ respektive, att vara T₁> T₂.

Materialens värmeledningsförmåga

Nedan finns en lista över värmeledningsförmågan hos vissa wattmaterial på Kelvin: w/(m . K) 

Kan tjäna dig: Galileo Galilei och hans fria höstlag

Aluminium -205

Copper -385

Silver --400

Stål -50

Kork eller glasfiber- 0,04

Betong eller glas -0.8

Trä-0,05 till 0,015

Luft - 0,024

- Värmeexempel genom konvektion

Vid värmekonvektion överförs energi på grund av vätskans rörelse, som vid olika temperaturer har olika tätheter. Till exempel, när kokande vatten i en kruka ökar vatten nära botten dess temperatur, så det utvidgas.

Denna utvidgning får varmt vatten att stiga, medan den kalla låga för att uppta utrymmet som lämnats av det varma vattnet som klättrade. Resultatet är en cirkulationsrörelse som fortsätter tills temperaturen på alla nivåer är lika.

Konvektionen är den som bestämmer rörelsen av de stora luftmassorna i jordens atmosfär och bestämmer också cirkulationen av marina strömmar.

- Värmeexempel genom strålning

I mekanismerna för värmeöverföring genom ledning och konvektion krävs närvaron av ett material så att värmen överförs. Å andra sidan, i strålningsmekanismen kan värmen passera från en kropp till en annan genom tomrummet.

Detta är mekanismen genom vilken solen, vid en högre temperatur än jorden, överför energi till vår planet direkt genom rymdets tomhet. Strålning når oss av elektromagnetiska vågor.

Alla material kan avge och absorbera elektromagnetisk strålning. Den maximala frekvensen som släpps ut eller absorberas beror på materialets temperatur och nämnda frekvens växer med temperaturen.

Den dominerande våglängden i utsläpps- eller absorptionsspektrumet för en svart kropp följer Wienlag, som fastställer att den dominerande våglängden är proportionell mot det omvända kroppstemperaturen.

Å andra sidan är kraften (i watt) med vilken en kropp avger eller absorberar kalorenergi genom elektromagnetisk strålning proportionell mot den fjärde kraften i absolut temperatur. Detta är känt som Stefanlag:

P = εaσt⁴

I det föregående uttrycket σ Det är Stefans konstant och dess värde är 5,67 x 10-8 W/m² K⁴. TILL Det är kroppens yta och ε Det är materialets emissivitet, en konstant utan dimensioner vars värde är mellan 0 och 1, och beror på materialet.

Kan tjäna dig: isobarisk process: formler, ekvationer, experiment, övningar

Träning löst

Tänk på stången i figur 2. Anta att baren är 5 cm lång, 1 cm radie och den är koppar.

Baren placeras mellan två väggar som bibehåller sin konstanta temperatur. Den första väggen har en temperatur T1 = 100 ° C, medan den andra är vid T2 = 20ºC. Bestämma:

till.- Värdet på termisk ström h

b.- Temperaturen på kopparstången vid 2 cm, 3 cm och 4 cm från temperaturväggen T1.

Lösning till

Eftersom kopparstången placeras mellan två väggar vars väggar upprätthåller samma temperatur hela tiden, kan det sägas att det är i den stationära regimen. Det vill säga att den termiska strömmen H har samma värde för varje ögonblick.

För att beräkna denna ström tillämpar vi formeln som relaterar strömmen till temperaturskillnaden och stångens längd.

Eftersom baren är koppar, vet vi i tabellen som tidigare visat att dess värmeledningsförmåga k -kupong: 385 w/(m k).

Tvärsnittet är:

A = πr² = 3.14*(1 × 10^-2m)² = 3,14 x 10^-4 m²

Temperaturskillnaden mellan stångens ändar är

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

Δx = 5 cm = 5 x 10^-2 m

H = 385 w/(m k) * 3,14 x 10^-4 m² * (80k /5 x 10^-2 m) = 193,4 w

Denna ström är densamma när som helst i baren och när som helst, eftersom den stationära regimen har uppnåtts.

Lösning B

I denna del uppmanas vi att beräkna temperaturen Tp på en tidpunkt P Beläget på avstånd Xp När det gäller väggen T₁.

Uttrycket som ger kaloriernas ström H på väg P är:

H = k a (t₁ -Tp)/(xp)

Från detta uttryck kan det beräknas Tp genom:

Tp = t₁ - (H xp) / (k a) = 373 k - (193,4 w / (385 w / (m k) 3,14 x 10^-4 m²))*Xp

TP = 373 K - 1620.4 (k/m) * XP

Låt oss beräkna temperaturen Tp I positionerna 2 cm, 3 cm respektive 4 cm, ersätter numeriska värden:

• Tp = 340,6K = 67,6 ºC; 2 cm från T1
• Tp = 324,4K = 51,4 ºC; 3 cm från T1
• Tp = 308,2K = 35,2 ºC; 4 cm från T1

Referenser

1. Figueroa, D. 2005. Serie: Physics for Science and Engineering. Volym 5. Vätskor och termodynamik. Redigerad av Douglas Figueroa (USB).
2. Kirkpatrick, l. 2007. Fysik: En titt på världen. 6: e förkortade upplagan. Cengage Learning.
3. Lay, J. 2004. Allmän fysik för ingenjörer. Förbannad.
4. Mott, r. 2006. Flytande mekanik. 4th. Utgåva. Pearson Education. 
5. Strangeways, jag. 2003. Mätning av den naturliga miljön. 2: a. Utgåva. Cambridge University Press.
6. Wikipedia. Värmeledningsförmåga. Återhämtad från: är.Wikipedia.com