do .nload denne artikel i PDF-format
varmeoverførsel er den fysiske handling af termisk energi, der udveksles mellem to systemer ved at sprede varme. Temperatur og strømmen af varme er de grundlæggende principper for varmeoverførsel. Mængden af termisk energi til rådighed bestemmes af temperaturen, og varmestrømmen repræsenterer bevægelse af termisk energi.
på en mikroskopisk skala er molekylernes kinetiske energi det direkte forhold til termisk energi., Når temperaturen stiger, øges molekylerne i termisk omrøring manifesteret i lineær bevægelse og vibration. Regioner, der indeholder højere kinetisk energi, overfører energien til regioner med lavere kinetisk energi. Kort sagt kan varmeoverførsel grupperes i tre brede kategorier: ledning, konvektion og stråling.
billedet ovenfor, leveret af NASA, fremhæver, hvordan alle tre varmeoverføringsmetoder (ledning, konvektion og stråling) fungerer i det samme miljø.
Ledning
Ledning overfører varme via direkte molekylær kollision., Et område med større kinetisk energi overfører termisk energi til et område med lavere kinetisk energi. Partikler med højere hastighed kolliderer med partikler med langsommere hastighed. Partiklerne med langsommere hastighed vil stige i kinetisk energi som et resultat. Ledning er den mest almindelige form for varmeoverførsel og sker via fysisk kontakt. Eksempler ville være at placere din hånd mod et vindue eller placere metal i en åben ild.
varmeledningsprocessen afhænger af følgende faktorer: temperaturgradient, tværsnit af materialet, rejsens længde og fysiske materialeegenskaber., Temperaturgradienten er den fysiske mængde, der beskriver retningen og hastigheden af varmekørsel. Temperatur Flo.vil altid forekomme fra hotteste til koldeste eller, som nævnt før, højere til lavere kinetisk energi. Når der er termisk ligevægt mellem de to temperaturforskelle, stopper den termiske overførsel.
tværsnit og rejsevej spiller begge en vigtig rolle i ledningen. Jo større størrelse og længde af et objekt, jo mere energi, der kræves for at opvarme det. Og jo større overfladeareal der er udsat, jo mere varme går tabt., Mindre genstande med små tværsnit har minimalt varmetab.
fysiske egenskaber bestemmer, hvilke materialer der overfører varme bedre end andre. Specifikt dikterer den termiske ledningsevnekoefficient, at et metalmateriale vil lede varme bedre end klud, når det kommer til ledning. Følgende ligning, der beregner hastigheden af ledning:
Q = /d
hvor Q = overføres varmen per tidsenhed; k = varmeledningsevne af barriere; A = heat-transfer område; Thot = temperatur af varmt område; Tcold = temperatur af den kolde område; og d = tykkelse af barrieren.,
en moderne brug af ledning udvikles af Dr. Gyung-Min Choi ved University of Illinois. Dr. Choi bruger spin strøm til at generere spin overførsel drejningsmoment. Spinoverføringsmoment er overførslen af spinvinkelmomentet genereret af ledningselektronerne til magnetisering af en ferromagnet. I stedet for at bruge magnetfelter tillader dette manipulation af nanomagneter med spin-strømme., (Med tilladelse fra Ale.Jere., Imaging Technology Group, Beckman Institute)
konvektion
Når en væske, såsom luft eller væske, opvarmes og derefter bevæger sig væk fra kilden, bærer den den termiske energi sammen. Denne type varmeoverførsel kaldes konvektion. Væsken over en varm overflade udvides, bliver mindre tæt og stiger.
på molekylært niveau udvides molekylerne efter introduktion af termisk energi. Når temperaturen af den givne væskemasse stiger, skal væskens volumen øges med samme faktor. Denne effekt på væsken forårsager forskydning., Når den øjeblikkelige varme luft stiger, skubber den tættere, koldere luft ned. Denne serie af begivenheder repræsenterer, hvordan konvektionsstrømme dannes. Ligningen for konvektionshastigheder beregnes som følger:
= = hc · a · (Ts – Tf)
hvor where = overført varme pr.tidsenhed; HC = konvektiv varmeoverførselskoefficient; a = overfladens varmeoverførselsareal; Ts = overfladens temperatur; og Tf = væskens temperatur.
en rumvarmer er et klassisk konvektionseksempel., Da rumvarmeren opvarmer luften omkring den nær gulvet, vil luften stige i temperatur, udvide og stige til toppen af rummet. Dette tvinger den køligere luft ned, så den bliver opvarmet, hvilket skaber en konvektionsstrøm.
stråling
termisk stråling genererer fra emission af elektromagnetiske bølger. Disse bølger bærer energien væk fra det emitterende objekt. Stråling sker gennem et vakuum eller et gennemsigtigt medium (enten fast eller flydende). Termisk stråling er det direkte resultat af tilfældige bevægelser af atomer og molekyler i materie., Bevægelse af de ladede protoner og elektroner resulterer i emission af elektromagnetisk stråling.
alle materialer udstråler termisk energi baseret på deres temperatur. Jo varmere et objekt, jo mere vil det udstråle. Solen er et klart eksempel på varmestråling, der overfører varme over solsystemet. Ved normale stuetemperaturer udstråler genstande som infrarøde bølger. Objektets temperatur påvirker bølgelængden og frekvensen af de udstrålede bølger., Når temperaturen stiger, falder bølgelængderne inden for spektre af den udsendte stråling og udsender kortere bølgelængder med højere frekvensstråling. Termisk stråling er beregnet ved hjælp af Stefan-Boltzmanns lov:
P = e · σ · A · (Tr4 – Tc4)
hvor P = net udstrålet effekt; A = udstrålende område; Tr = temperatur af den radiator; Tc = temperatur af omgivelserne; e = emissivitet; og σ = Stefan ‘ s konstant.
emissivitet for en ideel radiator har en værdi på 1. Almindelige materialer har lavere emissivitetsværdier. Anodiseret aluminium har en emissivitetsværdi på 0.,9 mens kobber er 0,04.
solcelle eller fotovoltaisk celle, omdanner lysets energi til elektricitet via den fotovoltaiske effekt. Lys absorberes og ophidser elektronen til en højere energitilstand, og det elektriske potentiale produceres ved adskillelse af ladninger. Effektiviteten af solpaneler er steget i de senere år. Faktisk er de, der i øjeblikket produceres af SolarCity, et firma medstiftet af Elon Musk, på 22%.
emissivitet defineres som et objekts effektivitet i at udsende energi som termisk stråling., Det er forholdet ved en given temperatur af den termiske stråling fra en overflade til strålingen fra en ideel sort overflade som bestemt af Stefan-Bolt .mann-loven. Stefans konstant bestemmes af konstanter af naturen. Værdien af konstanten er som følger: