Wärmeübertragungsgesetze, Übertragungsformen, Beispiele

Existiert Wärmeübertragung Wenn die Energie wegen der Temperaturunterschiede zwischen den beiden von einem Körper zum anderen geht. Der Wärmeübertragungsprozess hört auf, sobald die Temperaturen der Kontaktkörper ausgeglichen sind oder wenn der Kontakt zwischen ihnen unterdrückt wird.

Die Energiemenge, die in einem bestimmten Zeitraum von einem Körper zum anderen übertragen wird Wärme übertragen. Ein Körper kann einem anderen Wärme verleihen oder ihn absorbieren, aber die Wärme verläuft immer vom Körper mit höchster Temperatur zur niedrigsten Temperatur.

Abbildung 1. In einem Lagerfeuer werden die drei Mechanismen der Wärmeübertragung verabreicht: Fahren, Konvektion und Strahlung. Quelle: Pixabay.

Die Wärmeeinheiten sind die gleichen wie die von Energie und im internationalen Maßnahmensystem (SI) ist der Joule (J). Andere häufig verwendete Wärmeeinheiten sind Kalorien und BTU. 

Was die mathematischen Gesetze betrifft, die die Wärmeübertragung regeln. 

Wenn Wärme von einem Körper zum anderen durchgeführt wird, ist die Geschwindigkeit, mit der Wärme ausgetauscht wird, proportional zum Temperaturdifferential. Dies ist als die bekannt Fouriersche Gesetz der thermischen Leitfähigkeit, die zu dem führt Newton Kühlgesetz.

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Formulare/Wärmeübertragungsmechanismen

Sie sind die Art und Weise, wie Wärme zwischen zwei Körpern ausgetauscht werden kann. Drei Mechanismen werden erkannt:

-Fahren

-Konvektion

-Strahlung

In einem Topf wie in der obigen Abbildung gibt es diese drei Wärmeübertragungsmechanismen:

-Das Metall des Topfes wird hauptsächlich durch Fahren erhitzt.

-Wasser- und Luftwärme und durch Konvektion aufsteigen.

-Menschen in der Nähe des Topfes werden durch die emittierte Strahlung erhitzt.

Fahren

Wärmeleitung tritt hauptsächlich in Festkörpern auf und insbesondere in Metallen.

Zum Beispiel überträgt das Küchenhorn durch den Metallantriebsmechanismus und die Metallwände des Behälter. In der thermischen Leitung gibt es keinen materiellen Transport, nur Energie.

Konvektion

Der Konvektionsmechanismus ist typisch für Flüssigkeiten und Gase. Fast immer sind diese bei einer höheren Temperatur weniger dicht, aus diesem Grund gibt es einen Wärmetransport im aufsteigenden Sinne der heißesten Flüssigkeit zu den hohen Regionen mit der kältesten Flüssigkeit. Im Konvektionsmechanismus gibt es materielle Transportmittel. 

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Strahlung

Der Strahlungsmechanismus ermöglicht einen Wärmeaustausch zwischen zwei Körpern, auch wenn sie nicht in Kontakt sind. Das unmittelbare Beispiel ist die Sonne, die die Erde durch den leeren Raum zwischen den beiden erhitzt. 

Alle Körper emittieren und absorbieren elektromagnetische Strahlung. Wenn Sie zwei Körper bei unterschiedlichen Temperaturen haben, auch in einem Vakuum, erreicht sie nach einer Weile aufgrund des Kalorienaustauschs der elektromagnetischen Strahlung die gleiche Temperatur.

Kalorienübertragungsgeschwindigkeit

In den thermodynamischen Systemen im Gleichgewicht importiert es die Menge an Gesamtwärme, die mit der Umgebung ausgetauscht wird, so dass das System von einem Gleichgewicht zum anderen übergeht.

Andererseits konzentrieren sich Wärmeübertragung und Zinsen auf das vorübergehende Phänomen, wenn Systeme noch nicht die Wärmeausgleich erreicht haben. Es ist wichtig zu beachten.

Beispiele

- Beispiele für Antriebsantrieb

In der thermischen Leitfähigkeit wird die Wärmeenergie durch Kollisionen zwischen den Atomen und den Molekülen des Materials übertragen, sei es Feststoff, Flüssigkeit oder Gas. 

Festkörper sind bessere Wärmeleiter als Gase und Flüssigkeiten. In Metallen gibt es freie Elektronen, die sich um Metall bewegen können.

Da freie Elektronen eine große Mobilität haben, können sie kinetische Energie durch Kollisionen effizienter übertragen, sodass Metalle eine hohe thermische Leitfähigkeit aufweisen.

Aus makroskopischer Sicht wird die thermische Leitfähigkeit als Wärmemenge gemessen, die pro Zeiteinheit übertragen wird, oder Kalorienstrom H:

Figur 2. Wärmeleitung durch eine Bar. Vorbereitet von Fanny Zapata.

Der Kalorienstrom H ist proportional zum Querschnitt ZU und zur Temperaturschwankung pro Einheit des Längsabstands.

Die vorherige Formel ist bekannt als Fouriersche Gesetz und die Verhältnismäßigkeitskonstante k Es ist die thermische Leitfähigkeit. 

Diese Gleichung wird angewendet, um den Kalorienstrom zu berechnen H eines Balkens wie dem in Abbildung 2, der zwischen zwei Temperaturreservoirs liegt T₁ Und T₂ jeweils sein T₁> T₂.

Wärmeleitfähigkeit von Materialien

Unten finden Sie eine Liste der thermischen Leitfähigkeit einiger Watt -Materialien auf Kelvin: w/(m) . K) 

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Aluminium -205

Kupfer -385

Silber -400

Stahl -50

Kork oder Glasfaser-0,04

Beton oder Glas -0,8

Holz 0,05 bis 0,015

Luft - 0,024

- Wärmebeispiele durch Konvektion

In der Wärmekonvektion wird die Energie aufgrund der Bewegung der Flüssigkeit übertragen, die bei unterschiedlichen Temperaturen unterschiedliche Dichten aufweist. Zum Beispiel erhöht Wasser beim Kochen von Wasser in einem Topf die Temperatur, so dass es sich erweitert, sodass es sich erweitert.

Diese Dilatation veranlasst heißes Wasser, während die Kälte niedrig den Raum des heißen Wassers, das kletterte, einnimmt. Das Ergebnis ist eine Zirkulationsbewegung, die fortgesetzt wird, bis die Temperaturen aller Ebenen gleich sind.

Die Konvektion ist diejenige, die die Bewegung der großen Luftmassen der Erdatmosphäre bestimmt und auch die Zirkulation von Meeresströmungen bestimmt.

- Wärmebeispiele durch Strahlung

In den Mechanismen der Wärmeübertragung durch Leitung und Konvektion ist das Vorhandensein eines Materials erforderlich, damit die Wärme übertragen wird. Andererseits kann im Strahlungsmechanismus die Wärme durch die Leere von einem Körper zum anderen verlaufen.

Dies ist der Mechanismus, durch den die Sonne bei einer höheren Temperatur als die Erde Energie direkt durch die Leere des Raums überträgt. Strahlung erreicht uns durch elektromagnetische Wellen.

Alle Materialien können elektromagnetische Strahlung emittieren und absorbieren. Die maximal emittierte oder absorbierte maximale Frequenz hängt von der Temperatur des Materials ab und die Frequenz wächst mit der Temperatur.

Die vorherrschende Wellenlänge in der Emissions- oder Absorptionsspektrum eines schwarzen Körpers folgt dem der Wien -Gesetz, Dies zeigt, dass die vorherrschende Wellenlänge proportional zur Umkehrung der Körpertemperatur ist.

Andererseits ist die Leistung (in Watts), mit der ein Körper kalorische Energie durch elektromagnetische Strahlung ausstrahlt oder absorbiert, proportional zur vierten Leistung der absoluten Temperatur. Dies ist als die bekannt Stefan -Gesetz:

P = εaσt⁴

Im vorherigen Ausdruck σ Es ist Stefans Konstante und sein Wert beträgt 5,67 x 10-8 w/m² K⁴. ZU Es ist der Bereich der Körperoberfläche und ε Es ist das Emissionsvermögen des Materials, eine Konstante ohne Abmessungen, deren Wert zwischen 0 und 1 liegt, und hängt vom Material ab.

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Übung gelöst

Betrachten Sie die Stange in Abbildung 2. Angenommen, die Stange ist 5 cm lang, 1 cm Radius und kupfer.

Die Stange wird zwischen zwei Wänden platziert, die ihre konstante Temperatur aufrechterhalten. Die erste Wand hat eine Temperatur T1 = 100 ° C, während die andere bei T2 = 20 ° C liegt. Bestimmen:

Zu.- Der Wert des thermischen Stroms h

B.- Die Temperatur des Kupferstangens bei 2 cm, 3 cm und 4 cm von der Temperaturwand T1 entfernt.

Lösung für

Da die Kupferstange zwischen zwei Wänden platziert wird, deren Wände jederzeit die gleiche Temperatur aufrechterhalten, kann gesagt werden, dass sie sich im stationären Regime befindet. Das heißt, der thermische Strom H hat den gleichen Wert für jeden Moment.

Um diesen Strom zu berechnen, wenden wir die Formel an, die den Strom H auf die Temperaturdifferenz und die Länge des Balkens bezieht.

Da der Balken Kupfer ist, wissen wir in der Tabelle zuvor, dass seine thermische Leitfähigkeit K -Gutschein: 385 W/(M k).

Der Querschnitt ist:

A = πr² = 3,14*(1 × 10^-2M)² = 3,14 x 10^-4 M²

Der Temperaturunterschied zwischen den Enden der Stange ist

ΔT = (100ºC - 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

Dieser Strom ist zu jedem Zeitpunkt in der Bar und zu jedem Zeitpunkt gleich, da das stationäre Regime erreicht wurde.

Lösung b

In diesem Teil werden wir gebeten, die Temperatur zu berechnen Tp an einem Punkt P befindet sich in der Ferne XP In Bezug auf die Wand T₁.

Der Ausdruck, der den Kalorienstrom ergibt H auf den Punkt P Ist:

H = k a (t₁ -Tp)/(xp)

Aus diesem Ausdruck kann er berechnet werden Tp durch:

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

Berechnen wir die Temperatur Tp In den Positionen 2 cm, 3 cm bzw. 4 cm, wodurch numerische Werte ersetzt werden:

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

Verweise

1. Figueroa, d. 2005. Serie: Physik für Wissenschaft und Ingenieurwesen. Band 5. Flüssigkeiten und Thermodynamik. Herausgegeben von Douglas Figueroa (USB).
2. Kirkpatrick, l. 2007. Physik: Ein Blick auf die Welt. 6. Ausgabe abkürzung. Cengage Lernen.
3. Lag, j. 2004. Allgemeine Physik für Ingenieure. Usach.
4. Mott, r. 2006. Strömungsmechanik. 4. Auflage. Pearson Ausbildung. 
5. Strangeways, ich. 2003. Messung der natürlichen Umgebung. 2. Auflage. Cambridge University Press.
6. Wikipedia. Wärmeleitfähigkeit. Geborgen von: ist.Wikipedia.com