Stáhnout tento článek ve formátu PDF
přenos Tepla je fyzický akt tepelné energie vyměňovány mezi dvěma systémy tím, že odvádí teplo. Teplota a tok tepla jsou základními principy přenosu tepla. Množství dostupné tepelné energie je určeno teplotou a tok tepla představuje pohyb tepelné energie.
v mikroskopickém měřítku je kinetická energie molekul přímým vztahem k tepelné energii., Jak teplota stoupá, molekuly se zvyšují v tepelné agitaci projevující se lineárním pohybem a vibracemi. Regiony, které obsahují vyšší kinetickou energii, přenášejí energii do oblastí s nižší kinetickou energií. Jednoduše řečeno, přenos tepla lze seskupit do tří širokých kategorií: vedení, konvekce a záření.
výše uvedený obrázek, poskytovaný NASA, zdůrazňuje, jak všechny tři metody přenosu tepla (vedení, konvekce a záření) fungují ve stejném prostředí.
vedení
vedení přenáší teplo přímou molekulární kolizí., Oblast větší kinetické energie přenese tepelnou energii do oblasti s nižší kinetickou energií. Částice s vyšší rychlostí se srazí s pomalejšími rychlostními částicemi. V důsledku toho se částice s pomalejší rychlostí zvýší v kinetické energii. Vedení je nejčastější formou přenosu tepla a nastává fyzickým kontaktem. Příkladem by bylo umístit ruku proti oknu nebo umístit kov do otevřeného plamene.
procesu vedení tepla závisí na následujících faktorech: teplotní gradient, průřez, materiál, délku dráhy, a fyzikální vlastnosti materiálu., Teplotní gradient je fyzikální veličina, která popisuje směr a rychlost jízdy tepla. Teplotní tok bude vždy probíhat od nejteplejších po nejchladnější nebo, jak bylo uvedeno výše, vyšší až nižší kinetickou energii. Jakmile dojde k tepelné rovnováze mezi dvěma teplotními rozdíly, tepelný přenos se zastaví.
průřez a cesta cesty hrají důležitou roli ve vedení. Čím větší je velikost a délka objektu, tím více energie je zapotřebí k jeho ohřevu. A čím větší je plocha, která je vystavena, tím více tepla je ztraceno., Menší objekty s malými průřezy mají minimální tepelné ztráty.
fyzikální vlastnosti určují, které materiály přenášejí teplo lépe než jiné. Konkrétně koeficient tepelné vodivosti určuje, že Kovový materiál bude vést teplo lépe než tkanina, pokud jde o vedení. Následující rovnice vypočítá rychlost vedení vzruchu:
Q = /d,
, kde Q = teplo převedené za jednotku času; k = tepelná vodivost bariéra; A = přenos tepla oblasti; Thot = teplota teplé oblasti; Tcold = teplota studené oblasti; a d = tloušťka bariéry.,
moderní využití vedení vyvíjí Dr. Gyung-Min Choi na University of Illinois. Dr. Choi používá rotační proud pro generování točivého momentu. Točivý moment přenosu rotace je přenos točivého momentu generovaného vodivými elektrony na magnetizaci feromagnetu. Místo použití magnetických polí to umožňuje manipulaci s nanomagnety se spin proudy., (S laskavým svolením Alex Jerez, Imaging Technology Group, Beckman Institute)
Konvekce
Když tekutiny, jako je vzduch nebo kapalina, je vyhřívaný a pak se šíří od zdroje, to s sebou nese tepelnou energii spolu. Tento typ přenosu tepla se nazývá konvekce. Tekutina nad horkým povrchem se rozšiřuje, stává se méně hustá a stoupá.
na molekulární úrovni se molekuly rozšiřují po zavedení tepelné energie. Jak se zvyšuje teplota dané kapalné hmoty, musí se objem tekutiny zvýšit o stejný faktor. Tento účinek na tekutinu způsobuje posun., Jak okamžitý horký vzduch stoupá, tlačí hustší, chladnější vzduch dolů. Tato série událostí představuje, jak se vytvářejí konvekční proudy. Rovnice pro konvekci sazby se vypočte takto:
Q = hc · · (Ts – Tf)
, kde Q = teplo převedené za jednotku času; hc = konvektivní součinitel prostupu tepla; A = přenos tepla plocha povrchu; Ts = teplota povrchu; a Tf = teplota tekutiny.
ohřívač prostoru je klasickým konvekčním příkladem., Jako ohřívač ohřívá okolní vzduch v blízkosti podlahy, vzduch bude zvýšení teploty, rozšíření, a stoupat na vrchol místnosti. To tlačí chladnější vzduch tak, aby se zahřál, čímž se vytvoří konvekční proud.
záření
tepelné záření generuje z emisí elektromagnetických vln. Tyto vlny přenášejí energii od emitujícího objektu. Záření probíhá vakuem nebo jakýmkoli průhledným médiem (buď pevným nebo tekutým). Tepelné záření je přímým důsledkem náhodných pohybů atomů a molekul v hmotě., Pohyb nabitých protonů a elektronů vede k emisi elektromagnetického záření.
všechny materiály vyzařují tepelnou energii na základě jejich teploty. Čím je objekt teplejší, tím více bude vyzařovat. Slunce je jasným příkladem tepelného záření, které přenáší teplo přes sluneční soustavu. Při normálních pokojových teplotách objekty vyzařují jako infračervené vlny. Teplota objektu ovlivňuje vlnovou délku a frekvenci vyzařovaných vln., Jak se teplota zvyšuje, vlnové délky uvnitř spektra emitovaného záření klesají a emitují kratší vlnové délky s vysokofrekvenčním zářením. Tepelné záření je vypočtena pomocí Stefan-Boltzmannův zákon:
P = e · σ · A · (Tr4 – Tc4)
, kde P = čistý vyzářený výkon; A = sálavé plochy; Tr = teplota chladiče; Tc = teplota okolí; e = vyzařování; a σ = Stefan je konstantní.
Emisivita pro ideální radiátor má hodnotu 1. Běžné materiály mají nižší hodnoty emisivity. Eloxovaný hliník má hodnotu emisivity 0.,9, zatímco měď je 0,04.
solární článek nebo fotovoltaický článek převádí energii světla na elektřinu prostřednictvím fotovoltaického efektu. Světlo je absorbováno a vzrušuje elektrkon do vyššího energetického stavu a elektrický potenciál je produkován oddělením nábojů. Účinnost solárních panelů v posledních letech vzrostla. Ve skutečnosti, ty v současné době vyrábí SolarCity, společnost co-založil Elon Musk, se v 22%.
Emisivita je definována jako účinnost objektu při vyzařování energie jako tepelného záření., Je to poměr tepelného záření z povrchu k záření z ideálního černého povrchu, jak je stanoveno zákonem Stefan-Boltzmann. Stefanova konstanta je určena konstantami přírody. Hodnota konstanty je následující: