PRIJENOS TOPLINE: ZAKONI, OBLICI PRIJENOSA, PRIMJERI - FIZIČKA - 2024

Dolazi do prijenosa topline kada energija prelazi s jednog tijela na drugo zbog razlike u temperaturi između ta dva tijela. Proces prijenosa topline prestaje čim su temperature tijela u dodiru jednake ili kada se ukloni kontakt među njima.

Količina energije koja se prenosi u jednom tijelu u drugo u određenom vremenskom razdoblju naziva se prenesena toplina. Jedno tijelo može dati toplinu drugom ili ga može apsorbirati, ali toplina uvijek prelazi iz tijela s najvišom temperaturom u tijelo s najnižom temperaturom.

Slika 1. U vatri postoje tri mehanizma prijenosa topline: provođenje, konvekcija i zračenje. Izvor: Pixabay.

Jedinice topline jednake su onima energije, a u međunarodnom mjernom sustavu (SI) to je joule (J). Ostale često korištene jedinice topline su kalorijska i BTU.

Što se tiče matematičkih zakona koji reguliraju prijenos topline, oni ovise o mehanizmu koji je uključen u razmjenu.

Kada se toplina provodi iz jednog tijela u drugo, brzina kojom se izmjenjuje toplina proporcionalna je temperaturnoj razlici. To je poznato kao Fourierov zakon toplinske vodljivosti, što dovodi do Newtonovog zakona hlađenja.

Oblici / mehanizmi prijenosa topline

Oni su načini na koje se toplina može izmjenjivati ​​između dva tijela. Prepoznata su tri mehanizma:

-Driving

-Konvekcija

-Radijacija

U loncu poput onoga prikazanog na slici gornja, nalaze se ova tri mehanizma prijenosa topline:

-Metal u loncu zagrijava se uglavnom kondukcijom.

-Voda i zrak se zagrijavaju i povećavaju konvekcijom.

- Ljudi u blizini lonca zagrijavaju se zračenjem.

Vožnja

Provedba topline javlja se uglavnom u čvrstim tvarima, a posebno u metalima.

Na primjer, štednjak u kuhinji prenosi toplinu do hrane unutar lonca kroz mehanizam za provođenje kroz metal dna i metalne stijenke spremnika. U toplinskoj vodljivosti nema transporta materijala, već samo energije.

Konvekcija

Mehanizam konvekcije tipičan je za tekućine i plinove. Oni su gotovo uvijek manje gusti pri višim temperaturama, zbog čega postoji toplinski transport prema gore od dijelova toplije tekućine do viših područja s hladnijim dijelovima tekućine. U mehanizmu konvekcije postoji transport materijala.

Radijacija

Sa svoje strane, mehanizam zračenja omogućava izmjenu topline između dva tijela čak i kada nisu u kontaktu. Neposredni primjer je Sunce, koje zagrijava Zemlju kroz prazan prostor između njih.

Sva tijela emitiraju i apsorbiraju elektromagnetsko zračenje. Ako imate dva tijela na različitim temperaturama, čak i ako su u vakuumu, nakon nekog vremena oni će doseći istu temperaturu zbog izmjene topline elektromagnetskim zračenjem.

Brzina prijenosa topline

U ravnotežnim termodinamičkim sustavima važna je količina ukupne topline razmjenjene s okolinom, tako da sustav prelazi iz jednog stanja ravnoteže u drugo.

S druge strane, u prijenosu topline, interes je usmjeren na prolazni fenomen, kada sustavi još nisu postigli toplinsku ravnotežu. Važno je napomenuti da se količina topline izmjenjuje u određenom vremenskom razdoblju, odnosno postoji brzina prijenosa topline.

Primjeri

- Primjeri provođenja topline

U toplinskoj vodljivosti toplinska energija se prenosi putem sudara između atoma i molekula materijala, bilo da je to kruta, tekuća ili plina.

Čvrste tvari su bolji provodnici topline od plinova i tekućina. U metalima postoje slobodni elektroni koji se mogu kretati kroz metal.

Kako slobodni elektroni imaju veliku pokretljivost, sposobniji su učinkovitije prenijeti kinetičku energiju putem sudara, zbog čega metali imaju visoku toplinsku provodljivost.

S makroskopskog stajališta, toplinska vodljivost se mjeri kao količina prenesene topline po jedinici vremena ili kalorična struja H:

Slika 2. Provođenje topline kroz šipku. Pripremila Fanny Zapata.

Kalorična struja H proporcionalna je presjeku područja A i promjeni temperature po jedinici uzdužne udaljenosti.

Ova jednadžba primjenjuje za izračun kalorija struje H jedne trake kao što je onaj na slici 2, koja se nalazi između dva spremnika temperature T ₁ i T- ₂, odnosno, gdje T ₁ > T ₂.

Toplinska provodljivost materijala

Ispod je popis toplinske vodljivosti nekih materijala u vatima po metru po kelvinu: W / (m. K)

Aluminij -------- 205

Bakar --------- 385

Srebro ---------- 400

Čelik ---------– 50

Cork ili fiberglas - 0,04

Beton ili staklo ----- 0,8

Drvo ----- 0,05 do 0,015

Zrak --------– 0,024

- Primjeri konvekcijske topline

Pri konvekciji topline energija se prenosi zbog gibanja fluida koji pri različitim temperaturama ima različite gustoće. Na primjer, kada voda kuha u loncu, voda blizu dna povećava temperaturu, pa se proširuje.

To širenje dovodi do porasta tople vode, dok se hladna spušta kako bi zauzela prostor koji je preostala od vruće vode koja se uzdizala. Rezultat je cirkulacijski pokret koji traje dok se temperature svih razina ne izjednače.

Konvekcija je ono što određuje kretanje velikih zračnih masa u Zemljinoj atmosferi i također određuje cirkulaciju morskih struja.

- Primjeri topline zračenja

U mehanizmima prijenosa topline provođenjem i konvekcijom potrebna je prisutnost materijala za prijenos topline. Suprotno tome, u mehanizmu zračenja toplina može prolaziti s jednog tijela na drugo kroz vakuum.

To je mehanizam pomoću kojeg Sunce, na višoj temperaturi od Zemlje, energiju na naš planet prenosi izravno kroz vakuum svemira. Zračenje dolazi do nas putem elektromagnetskih valova.

Svi materijali mogu emitirati i apsorbirati elektromagnetsko zračenje. Maksimalna emitirana ili apsorbirana frekvencija ovisi o temperaturi materijala i ta frekvencija raste s temperaturom.

Pretežna valna duljina u spektru emisije ili apsorpcije crnog tijela slijedi Wien-ov zakon, koji kaže da je preovlađujuća valna duljina proporcionalna inverziji tjelesne temperature.

S druge strane, snaga (u vatima) kojom tijelo emitira ili apsorbira toplinsku energiju elektromagnetskim zračenjem proporcionalna je četvrtoj snazi ​​apsolutne temperature. To je poznato kao Stefanin zakon:

P = εAσT ⁴

U gornjem izrazu σ je Stefanova konstanta i njena vrijednost je 5,67 x 10-8 W / m ² K ⁴. A je površina tijela i ε je emisivnost materijala, bezdimenzionalna konstanta čija je vrijednost između 0 i 1, a ovisi o materijalu.

Vježba riješena

Razmotrite šipku na slici 2. Pretpostavimo da je šipka dugačka 5 cm, radijusa 1 cm, a izrađena je od bakra.

Bar je postavljen između dva zida koji održavaju temperaturu konstantnom. Prvi zid ima temperaturu T1 = 100ºC, dok je drugi na T2 = 20ºC. odrediti:

a.- Vrijednost toplinske struje H

b.- Temperatura bakrene šipke na 2 cm, na 3 cm i na 4 cm od stijenke temperature T1.

Rješenje za

Budući da se bakrena šipka postavlja između dva zida čiji zidovi održavaju istu temperaturu u svakom trenutku, može se reći da je u stabilnom stanju. Drugim riječima, toplinska struja H ima istu vrijednost za bilo koji trenutak.

Za izračun ove struje primijenimo formulu koja odnosi struju H s razlikom temperature i duljine šipke.

Površina poprečnog presjeka je:

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

Temperaturna razlika između krajeva šipke 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

Ova struja je ista u bilo kojem trenutku na šipci i u bilo kojem trenutku, jer je postignuto stabilno stanje.

Rješenje b

U ovom dijelu smo pitali za izračunavanje temperature TP u točki P se nalazi na udaljenosti Xp od zida T ₁.

Izraz koji daje kaloričnu struju H u točki P je:

Iz ovog izraza Tp se može izračunati prema:

Izračunajmo temperaturu Tp na položajima 2 cm, 3 cm i 4 cm, zamjenjujući numeričke vrijednosti:

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

Reference

1. Figueroa, D. 2005. Serija: Fizika za znanost i inženjerstvo. Svezak 5. Tekućine i termodinamika. Uredio Douglas Figueroa (USB).
2. Kirkpatrick, L. 2007. Fizika: pogled na svijet. 6. skraćeno izdanje. Cengage Learning.
3. Lay, J. 2004. Opća fizika za inženjere. USACH.
4. Mott, R. 2006. Mehanika fluida. 4.. Izdanje. Pearson Education.
5. Strangeways, I. 2003. Mjerenje prirodnog okoliša. 2.. Izdanje. Cambridge University Press.
6. Wikipedia. Toplinska vodljivost. Oporavak od: es.wikipedia.com