Tipuri de transfer de căldură: coeficient de transfer de căldură

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Modificat ultima dată: 2023-12-17 10:39

Orice corp material are o caracteristică precum căldura, care poate crește și scădea. Căldura nu este o substanță materială: ca parte a energiei interne a unei substanțe, ea apare ca urmare a mișcării și interacțiunii moleculelor. Deoarece căldura diferitelor substanțe poate diferi, există un proces de transfer de căldură de la o substanță mai fierbinte la o substanță cu mai puțină căldură. Acest proces se numește transfer de căldură. Vom lua în considerare principalele tipuri de transfer de căldură și mecanismele de acțiune a acestora în acest articol.

Determinarea transferului de căldură

Transferul de căldură, sau procesul de transfer de temperatură, poate avea loc atât în interiorul materiei, cât și de la o substanță la alta. În același timp, intensitatea transferului de căldură depinde în mare măsură de proprietățile fizice ale materiei, de temperatura substanțelor (dacă mai multe substanțe participă la transferul de căldură) și de legile fizicii. Transferul de căldură este un proces care se desfășoară întotdeauna unilateral. Principiul principal al transferului de căldură este că cel mai fierbinte corp degajă întotdeauna căldură unui obiect cu o temperatură mai scăzută. De exemplu, la călcarea hainelor, un fier de călcat fierbintedă căldură pantalonilor, și nu invers. Transferul de căldură este un fenomen dependent de timp care caracterizează distribuția ireversibilă a căldurii în spațiu.

Mecanisme de transfer de căldură

Mecanismele de interacțiune termică a substanțelor pot lua diferite forme. Există trei tipuri de transfer de căldură în natură:

1. Conductivitatea termică este un mecanism de transfer intermolecular de căldură de la o parte a corpului la alta sau la un alt obiect. Proprietatea se bazează pe neomogenitatea temperaturii în substanțele luate în considerare.
2. Convecție - schimb de căldură între medii fluide (lichid, aer).
3. Acțiunea radiațiilor este transferul de căldură din corpurile (surse) încălzite și încălzite datorită energiei lor sub formă de unde electromagnetice cu spectru constant.

Să luăm în considerare tipurile de transfer de căldură enumerate mai detaliat.

Conductivitate termică

Cel mai des, conductivitatea termică este observată în solide. Dacă, sub influența oricăror factori, în aceeași substanță apar zone cu temperaturi diferite, atunci energia termică dintr-o zonă mai fierbinte va trece la una rece. În unele cazuri, acest fenomen poate fi observat chiar și vizual. De exemplu, dacă luăm o tijă de metal, să zicem un ac, și o încălzim pe foc, atunci după ceva timp vom vedea cum energia termică este transferată prin ac, formând o strălucire într-o anumită zonă. În același timp, într-un loc în care temperatura este mai mare, strălucirea este mai strălucitoare și, invers, unde t este mai mică, este mai întunecată. Conducerea căldurii poate fi observată și între două corpuri (o cană de ceai fierbinte și o mână)

Intensitatea transferului de flux de căldură depinde de mulți factori, al căror raport a fost dezvăluit de matematicianul francez Fourier. Acești factori includ în primul rând gradientul de temperatură (raportul dintre diferența de temperatură de la capetele tijei și distanța de la un capăt la celăl alt), aria secțiunii transversale a corpului și coeficientul de conductivitate termică (este diferit pentru toate substanțele, dar cea mai mare se observă la metale). Cel mai semnificativ coeficient de conductivitate termică se observă la cupru și aluminiu. Nu este surprinzător faptul că aceste două metale sunt mai des folosite la fabricarea firelor electrice. Urmând legea Fourier, fluxul de căldură poate fi crescut sau micșorat prin modificarea unuia dintre acești parametri.

Tipuri de transfer de căldură prin convecție

Convecția, care este caracteristică în principal gazelor și lichidelor, are două componente: conductivitatea termică intermoleculară și mișcarea (distribuția) mediului. Mecanismul de acțiune al convecției are loc după cum urmează: odată cu creșterea temperaturii unei substanțe fluide, moleculele acesteia încep să se miște mai activ, iar în absența restricțiilor spațiale, volumul substanței crește. Consecința acestui proces va fi o scădere a densității substanței și mișcarea ei în sus. Un exemplu izbitor de convecție este mișcarea aerului încălzit de un radiator de la o baterie la tavan.

Distingeți tipurile de transfer de căldură convectiv liber și forțat. Transferul de căldură și mișcarea de masă în tipul liber are loc datorită eterogenității substanței, adică lichidul fierbinte se ridică deasupra naturalului rece.fără a fi influențat de forțele externe (de exemplu, încălzirea unei încăperi cu încălzire centrală). În cazul convecției forțate, mișcarea masei are loc sub influența forțelor externe, de exemplu, amestecarea ceaiului cu o lingură.

Transfer de căldură radiantă

Transferul de căldură radiantă sau radiativă poate avea loc fără contact cu un alt obiect sau substanță, de aceea este posibil chiar și într-un spațiu fără aer (vid). Transferul radiativ de căldură este inerent tuturor corpurilor într-o măsură mai mare sau mai mică și se manifestă sub formă de unde electromagnetice cu spectru continuu. Un prim exemplu în acest sens este soarele. Mecanismul de acțiune este următorul: corpul radiază continuu o anumită cantitate de căldură în spațiul care îl înconjoară. Când această energie lovește un alt obiect sau substanță, o parte din ea este absorbită, a doua parte trece, iar a treia parte este reflectată în mediu. Orice obiect poate radia și absorbi căldură, în timp ce substanțele întunecate sunt capabile să absoarbă mai multă căldură decât cele luminoase.

Mecanisme combinate de transfer termic

În natură, tipurile de procese de transfer de căldură sunt rareori găsite separat. Mult mai des pot fi văzute împreună. În termodinamică, aceste combinații au chiar denumiri, de exemplu, conductivitate termică + convecție este transfer de căldură convectiv, iar conductivitatea termică + radiație termică se numește transfer de căldură radiativ-conductiv. În plus, există tipuri combinate de transfer de căldură precum:

• Dissiparea căldurii -mișcarea energiei termice între un gaz sau lichid și un solid.
• Transferul de căldură este transferul t de la o materie la alta printr-un obstacol mecanic.
• Transferul de căldură convectiv-radiant se formează prin combinarea convecției și a radiației termice.

Tipuri de transfer de căldură în natură (exemple)

Transferul de căldură în natură joacă un rol uriaș și nu se limitează la încălzirea globului de către razele soarelui. Curenții de convecție extinși, cum ar fi mișcarea maselor de aer, determină în mare măsură vremea pe întreaga planetă.

Conductivitatea termică a nucleului Pământului duce la apariția gheizerelor și la erupția rocilor vulcanice. Acestea sunt doar câteva exemple de transfer de căldură la scară globală. Împreună, formează tipurile de transfer de căldură convectiv și tipuri de transfer de căldură radiativ-conductiv necesare pentru a susține viața pe planeta noastră.

Utilizarea transferului de căldură în activități antropologice

Căldura este o componentă importantă a aproape tuturor proceselor de producție. Este greu de spus ce tip de schimb de căldură este folosit de om mai ales în economia națională. Probabil toate trei în același timp. Procesele de transfer de căldură sunt folosite pentru topirea metalelor, producând o gamă largă de bunuri, de la articole de zi cu zi până la nave spațiale.

Extrem de importante pentru civilizație sunt unitățile termice capabile să transforme energia termică în putere utilă. Printrepot fi numite unități pe benzină, diesel, compresoare, turbine. Pentru munca lor, folosesc diferite tipuri de transfer de căldură.