ТОПЛОПРЕДАВАНЕ: ЗАКОНИ, ФОРМИ НА ПРЕДАВАНЕ, ПРИМЕРИ - ФИЗИЧЕСКИ - 2025

Има пренос на топлина, когато енергията преминава от едно тяло в друго поради разликата в температурата между двете. Процесът на топлопредаване спира, веднага щом температурите на телата в контакт са равни или когато контактът между тях бъде отстранен.

Количеството енергия, прехвърлено от едно тяло в друго за даден период от време, се нарича прехвърлена топлина. Едно тяло може да дава топлина на друго или може да го абсорбира, но топлината винаги преминава от тялото с най-висока температура към тялото с най-ниска температура.

Фигура 1. В огъня има трите механизма на топлопредаване: проводимост, конвекция и излъчване. Източник: Pixabay

Единиците на топлина са същите като на енергията и в международната система за измервания (SI) това е джаулът (J). Други често използвани единици топлина са калориите и BTU.

Що се отнася до математическите закони, които управляват топлопредаването, те зависят от механизма, участващ в обмена.

Когато топлината се провежда от едно тяло в друго, скоростта, с която се обменя топлината, е пропорционална на температурната разлика. Това е известно като закон на Фурие на топлопроводимостта, което води до закона за охлаждане на Нютон.

Форми / механизми на топлопредаване

Те са начините, по които топлината може да се обменя между две тела. Разпознават се три механизма:

-Driving

-Convection

радиация

В саксия като тази, показана на фигурата по-горе, има тези три механизма за пренос на топлина:

-Металът в съда се нагрява главно чрез проводимост.

-Водата и въздухът се нагряват и се издигат чрез конвекция.

-Людите в близост до саксията се нагряват от излъчваното лъчение.

Шофиране

Топлопроводността се осъществява най-вече в твърди частици и по-специално в метали.

Например, печката в кухнята предава топлина на храната вътре в съда чрез механизма на проводимост през метала на дъното и металните стени на контейнера. В топлинната проводимост няма материален транспорт, а само енергия.

конвекция

Механизмът на конвекция е типичен за течности и газове. Те са почти винаги по-малко гъсти при по-високи температури, поради тази причина се осъществява транспортиране на топлина от по-горещите части на течността до по-високите участъци с по-студени течни части. В механизма на конвекция има транспорт на материали.

радиация

От своя страна, радиационният механизъм позволява обмен на топлина между две тела, дори когато те не са в контакт. Непосредственият пример е Слънцето, което загрява Земята през празното пространство между тях.

Всички тела излъчват и абсорбират електромагнитно излъчване. Ако имате две тела при различни температури, дори да сте във вакуум, след известно време те ще достигнат същата температура поради топлообмена чрез електромагнитно излъчване.

Скорост на топлопредаване

В равновесните термодинамични системи количеството обща топлина, обменяна с околната среда, има значение, така че системата да премине от едно състояние на равновесие в друго.

От друга страна, при пренос на топлина интересът е насочен към преходното явление, когато системите все още не са достигнали топлинно равновесие. Важно е да се отбележи, че количеството топлина се обменя в определен период от време, тоест има скорост на топлопредаване.

Примери

- Примери за топлопроводимост

В топлопроводимостта топлинната енергия се предава чрез сблъсъци между атомите и молекулите на материала, независимо дали това е твърдо, течно или газообразно.

Твърдите вещества са по-добри проводници на топлина от газовете и течностите. В металите има свободни електрони, които могат да се движат през метала.

Тъй като свободните електрони имат голяма мобилност, те са способни да предават кинетична енергия чрез сблъсъци по-ефективно, поради което металите имат висока топлопроводимост.

От макроскопична гледна точка, топлопроводимостта се измерва като количеството предавана топлина за единица време или калоричен ток Н:

Фигура 2. Топлопроводност през щанга. Подготвил Фани Сапата.

Калоричният ток Н е пропорционален на напречното сечение на площ А и изменението на температурата за единица надлъжно разстояние.

Това уравнение се използва за изчисляване на калории ток Н бар като този на фигура 2, което е между две резервоари температури Т ₁ и Т ₂ съответно, където Т ₁ > T ₂.

Топлопроводимост на материалите

По-долу е даден списък на топлопроводимостта на някои материали във ватове на метър на келвин: W / (m. K)

Алуминий -------- 205

Мед --------- 385

Сребро ---------- 400

Стомана ---------– 50

Корк или фибростъкло - 0,04

Бетон или стъкло ----- 0,8

Дърво ----- 0,05 до 0,015

Въздух --------– 0,024

- Примери за конвекционна топлина

При топлинната конвекция се пренася енергия поради движението на течността, която при различни температури има различна плътност. Например, когато водата се вари в съд, водата в близост до дъното повишава температурата си, така че се разширява.

Това разширение кара горещата вода да се повишава, докато студената се спуска, за да заеме пространството, оставено от горещата вода, която се издига. Резултатът е движение на циркулация, което продължава, докато температурите на всички нива се изравнят.

Конвекцията е това, което определя движението на големи въздушни маси в земната атмосфера и също така определя циркулацията на морските течения.

- Примери за радиационна топлина

В механизмите на топлопредаване чрез проводимост и чрез конвекция е необходимо наличието на материал за предаване на топлината. За разлика от това, в радиационния механизъм топлината може да преминава от едно тяло в друго чрез вакуум.

Това е механизмът, чрез който Слънцето при по-висока температура от Земята предава енергия на нашата планета директно през вакуума на космоса. Излъчването идва при нас чрез електромагнитни вълни.

Всички материали са способни да излъчват и абсорбират електромагнитно излъчване. Максимумът на излъчваната или погълната честота зависи от температурата на материала и тази честота нараства с температурата.

Преобладаващата дължина на вълната в спектъра на емисия или абсорбция на черно тяло следва закона на Wien, който гласи, че преобладаващата дължина на вълната е пропорционална на обратната на телесната температура.

От друга страна, мощността (във ватове), с която тялото излъчва или абсорбира топлинна енергия чрез електромагнитно излъчване, е пропорционална на четвъртата сила на абсолютната температура. Това е известно като закон на Стефан:

P = εAσT ⁴

В горния израз σ е константата на Стефан и нейната стойност е 5.67 x 10-8 W / m ² K ⁴. A е повърхностната площ на тялото и ε е излъчващата способност на материала, безразмерна константа, чиято стойност е между 0 и 1 и зависи от материала.

Упражнението е разрешено

Помислете за лентата на фигура 2. Да предположим, че лентата е дълга 5 см, радиус 1 см и е направена от мед.

Лентата е поставена между две стени, които поддържат температурата й постоянна. Първата стена е с температура T1 = 100ºC, докато другата е при T2 = 20ºC. Определи:

a.- Стойността на топлинния ток H

б.- Температурата на медната пръчка на 2 см, на 3 см и на 4 см от стената на температура Т1.

Решение за

Тъй като медната пръчка е поставена между две стени, чиито стени поддържат една и съща температура по всяко време, може да се каже, че тя е в стабилно състояние. С други думи, топлинният ток H има една и съща стойност за всеки момент.

За да изчислим този ток, ние прилагаме формулата, която свързва тока H с разликата в температурите и дължината на бара.

Площта на напречното сечение е:

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

Разликата в температурата между краищата на бара е

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

Този ток е един и същ във всяка точка на лентата и във всеки момент, тъй като е достигнато стабилното състояние.

Решение b

В тази част от нас се иска да се изчисли температурата Tp в точка P намира на разстояние от стената Xp T ₁.

Изразът, който дава калоричния ток H в точка P, е:

От този израз, Tp може да се изчисли по:

Нека изчислим температурата Tp в позициите съответно 2 cm, 3 cm и 4 cm, като заместваме числови стойности:

• Tp = 340.6K = 67.6 ° C; 2 см от Т1
• Tp = 324.4K = 51.4 ° C; 3 см от Т1
• Tp = 308.2K = 35.2 ° C; 4 см от Т1

Препратки

1. Figueroa, D. 2005. Серия: Физика за наука и инженерство. Том 5. Течности и термодинамика. Редактиран от Дъглас Фигероа (USB).
2. Киркпатрик, Л. 2007. Физика: поглед към света. 6-то съкратено издание. Учене в Cengage.
3. Lay, J. 2004. Обща физика за инженери. USACH.
4. Mott, R. 2006. Механика на течностите. 4-ти. Edition. Pearson Education.
5. Strangeways, I. 2003. Измерване на природната среда. 2-ри. Edition. Cambridge University Press.
6. Wikipedia. Топлопроводимост. Възстановено от: es.wikipedia.com