Porozmawiajmy o tym, czym jest wymiana ciepła. Termin ten odnosi się do procesu przenoszenia energii w materii. Charakteryzuje się złożonym mechanizmem opisanym równaniem ciepła.
Odmiany wymiany ciepła
Jak klasyfikuje się wymianę ciepła? Przewodzenie ciepła, konwekcja, promieniowanie to trzy sposoby przekazywania energii, które istnieją w przyrodzie.
Każdy z nich ma swoje charakterystyczne cechy, cechy, zastosowania w technologii.
Przewodność cieplna
Ilość ciepła jest rozumiana jako suma energii kinetycznej cząsteczek. Kiedy się zderzają, są w stanie przekazać część swojego ciepła zimnym cząsteczkom. Przewodność cieplna w maksymalnym stopniu przejawia się w ciałach stałych, mniej typowa dla cieczy, absolutnie nietypowa dla substancji gazowych.
Jako przykład potwierdzający zdolność ciał stałych do przenoszenia ciepła z jednego obszaru do drugiego, rozważ następujący eksperyment.
Jeśli przymocujesz metalowe guziki do stalowego drutu, a następnie przyłóż koniec drutu do płonącej lampy spirytusowej, stopniowo guziki zaczną z niej spadać. Po podgrzaniu cząsteczki zaczynają poruszać się z większą prędkością, częściejzderzają się ze sobą. To właśnie te cząstki oddają energię i ciepło zimniejszym regionom. Jeśli ciecze i gazy nie zapewniają wystarczająco szybkiego odpływu ciepła, prowadzi to do gwałtownego wzrostu gradientu temperatury w gorącym obszarze.
Promieniowanie cieplne
Odpowiadając na pytanie, jakiemu rodzajowi wymiany ciepła towarzyszy transfer energii, należy zwrócić uwagę na tę konkretną metodę. Transfer promieniowania polega na przekazywaniu energii przez promieniowanie elektromagnetyczne. Ten wariant obserwuje się w temperaturze 4000 K i opisuje równanie przewodzenia ciepła. Współczynnik absorpcji zależy od składu chemicznego, temperatury, gęstości danego gazu.
Przenikanie ciepła przez powietrze ma określoną granicę, wraz ze wzrostem przepływu energii wzrasta gradient temperatury, wzrasta współczynnik absorpcji. Gdy wartość gradientu temperatury przekroczy gradient adiabatyczny, nastąpi konwekcja.
Co to jest wymiana ciepła? Jest to fizyczny proces przenoszenia energii z gorącego obiektu do zimnego poprzez bezpośredni kontakt lub przez przegrodę oddzielającą materiały.
Jeżeli ciała tego samego układu mają różne temperatury, wówczas proces przekazywania energii zachodzi do momentu ustalenia się między nimi równowagi termodynamicznej.
Funkcje wymiany ciepła
Co to jest wymiana ciepła? Jakie są cechy tego zjawiska? Nie możesz tego całkowicie zatrzymać, możesz tylkozmniejszyć prędkość? Czy wymiana ciepła jest wykorzystywana w przyrodzie i technologii? To właśnie przenoszenie ciepła towarzyszy i charakteryzuje wiele zjawisk przyrodniczych: ewolucję planet i gwiazd, procesy meteorologiczne na powierzchni naszej planety. Na przykład, wraz z wymianą masy, proces wymiany ciepła pozwala analizować chłodzenie wyparne, suszenie, dyfuzję. Odbywa się między dwoma nośnikami energii cieplnej przez litą ścianę, która działa jako interfejs między ciałami.
Przenikanie ciepła w przyrodzie i technologii to sposób na scharakteryzowanie stanu indywidualnego ciała, analizę właściwości układu termodynamicznego.
Prawo Fouriera
Nazywa się to prawem przewodzenia ciepła, ponieważ łączy całkowitą moc strat ciepła, różnicę temperatur z polem przekroju równoległościanu, jego długością, a także ze współczynnikiem przewodności cieplnej. Na przykład w przypadku próżni wskaźnik ten jest prawie zerowy. Powodem tego zjawiska jest minimalne stężenie cząstek materiału w próżni, które mogą przenosić ciepło. Pomimo tej cechy, w próżni istnieje wariant przekazywania energii przez promieniowanie. Rozważ zastosowanie wymiany ciepła na podstawie termosu. Jego ściany są podwójne w celu zwiększenia procesu odbicia. Powietrze jest wypompowywane między nimi, jednocześnie zmniejszając straty ciepła.
Konwekcja
Odpowiadając na pytanie, czym jest wymiana ciepła, rozważ proces wymiany ciepła w cieczachlub w gazach przez spontaniczne lub wymuszone mieszanie. W przypadku konwekcji wymuszonej ruch materii spowodowany jest działaniem sił zewnętrznych: łopatek wentylatora, pompy. Podobna opcja jest stosowana w sytuacjach, w których konwekcja naturalna nie jest skuteczna.
Naturalny proces obserwuje się w tych przypadkach, gdy przy nierównomiernym ogrzewaniu nagrzewają się dolne warstwy substancji. Ich gęstość maleje, podnoszą się. Natomiast górne warstwy ochładzają się, stają się cięższe i opadają. Dalej proces powtarza się kilka razy, a podczas mieszania obserwuje się samoorganizację w strukturę wirów, z komórek konwekcyjnych tworzy się regularna siatka.
Z powodu naturalnej konwekcji tworzą się chmury, opady deszczu i przesuwają się płyty tektoniczne. To właśnie przez konwekcję na Słońcu tworzą się granulki.
Właściwe wykorzystanie wymiany ciepła zapewnia minimalną utratę ciepła, maksymalne zużycie.
Esencja konwekcji
Do wyjaśnienia konwekcji można wykorzystać prawo Archimedesa, a także rozszerzalność cieplną ciał stałych i cieczy. Wraz ze wzrostem temperatury zwiększa się objętość cieczy i maleje gęstość. Pod wpływem siły Archimedesa lżejsza (podgrzana) ciecz unosi się w górę, a zimne (gęste) warstwy opadają, stopniowo się nagrzewając.
Gdy ciecz jest podgrzewana od góry, ciepła ciecz pozostaje w swojej pierwotnej pozycji, więc nie obserwuje się konwekcji. Tak działa cyklpłyn, któremu towarzyszy transfer energii z ciepłych obszarów do zimnych miejsc. W gazach konwekcja przebiega według podobnego mechanizmu.
Z termodynamicznego punktu widzenia konwekcja jest uważana za wariant wymiany ciepła, w którym przenoszenie energii wewnętrznej następuje poprzez oddzielne strumienie nierównomiernie nagrzanych substancji. Podobne zjawisko występuje w przyrodzie iw życiu codziennym. Na przykład grzejniki są instalowane na minimalnej wysokości od podłogi, w pobliżu parapetu.
Zimne powietrze jest podgrzewane przez akumulator, a następnie stopniowo unosi się do góry, gdzie miesza się z masami zimnego powietrza opadającego z okna. Konwekcja prowadzi do ustalenia jednolitej temperatury w pomieszczeniu.
Wśród typowych przykładów konwekcji atmosferycznej są wiatry: monsuny, bryzy. Powietrze, które nagrzewa się nad niektórymi fragmentami Ziemi, ochładza się nad innymi, w wyniku czego krąży, przenosząc wilgoć i energię.
Cechy naturalnej konwekcji
Wpływa na to kilka czynników jednocześnie. Na przykład na tempo naturalnej konwekcji wpływają codzienne ruchy Ziemi, prądy morskie i topografia powierzchni. To właśnie konwekcja jest podstawą wyjścia z kraterów wulkanu i rur dymowych, formowania się gór, szybowania różnych ptaków.
Na zakończenie
Promieniowanie cieplne to proces elektromagnetyczny o widmie ciągłym, który jest emitowany przez materię i zachodzi dzięki energii wewnętrznej. W celu przeprowadzenia obliczeń promieniowania cieplnego, inFizyka wykorzystuje model ciała doskonale czarnego. Opisz promieniowanie cieplne za pomocą prawa Stefana-Boltzmanna. Moc promieniowania takiego ciała jest wprost proporcjonalna do powierzchni i temperatury ciała, wzięta do czwartej potęgi.
Przewodność cieplna jest możliwa w dowolnych ciałach o nierównomiernym rozkładzie temperatury. Istotą zjawiska jest zmiana energii kinetycznej cząsteczek i atomów, która decyduje o temperaturze ciała. W niektórych przypadkach przewodność cieplna jest uważana za ilościową zdolność danej substancji do przewodzenia ciepła.
Wielkoskalowe procesy wymiany energii cieplnej nie ograniczają się do ogrzewania powierzchni ziemi przez promieniowanie słoneczne.
Poważne prądy konwekcyjne w atmosferze ziemskiej charakteryzują się zmianami warunków pogodowych na całej planecie. Wraz z różnicami temperatur w atmosferze między regionami polarnymi i równikowymi powstają przepływy konwekcyjne: strumienie strumieniowe, pasaty, fronty zimne i ciepłe.
Przenoszenie ciepła z jądra Ziemi na powierzchnię powoduje erupcje wulkanów, czyli powstawanie gejzerów. W wielu regionach energia geotermalna jest wykorzystywana do wytwarzania energii elektrycznej, ogrzewania budynków mieszkalnych i przemysłowych.
To ciepło staje się obowiązkowym uczestnikiem wielu technologii produkcyjnych. Na przykład obróbka i wytop metali, produkcja żywności, rafinacja ropy naftowej, eksploatacja silników - wszystko to odbywa się tylko w obecności energii cieplnej.
