Lataa artikkeli PDF-muodossa
lämmönsiirto on fyysinen teko lämpöenergiaa vaihdetaan kahden järjestelmän vaimentavan lämmön. Lämpötila ja lämmön virtaus ovat lämmönsiirron perusperiaatteita. Käytettävissä olevan lämpöenergian määrä määräytyy lämpötilan mukaan, ja lämpövirta edustaa lämpöenergian liikettä.
mikroskooppisessa mittakaavassa molekyylien liike-energia on suora suhde lämpöenergiaan., Lämpötilan noustessa molekyylit lisääntyvät termisen agitaation ilmetessä lineaarisessa liikkeessä ja tärinässä. Alueet, jotka sisältävät suurempaa liike-energiaa, siirtävät energiaa alueille, joilla on vähemmän liike-energiaa. Yksinkertaisesti sanottuna lämmönsiirto voidaan ryhmitellä kolmeen laajaan kategoriaan: johtuminen, konvektio ja säteily.
kuvan yläpuolella, edellyttäen, NASA, korostaa, miten kaikki kolme lämpö-siirto menetelmiä (johtuminen, konvektio ja säteily) toimivat samassa ympäristössä.
Johtuminen
Johtuminen siirtää lämpöä kautta suoraan molekyylien törmäys., Suuremman liike-energian alue siirtää lämpöenergiaa alempaan liike-energiaan. Nopeammat hiukkaset törmäävät hitaampiin nopeushiukkasiin. Hitaammat hiukkaset lisäävät tämän seurauksena liike-energiaa. Johtuminen on yleisin lämmönsiirron muoto ja tapahtuu fyysisen kosketuksen kautta. Esimerkkeinä olisi sijoittaa kätesi ikkunaa vasten tai asettaa metalli avoimeen liekkiin.
prosessi lämmön johtuminen riippuu seuraavista tekijöistä: lämpötila kaltevuus, poikkileikkaus materiaali, pituus, matka-polku, ja fyysisen materiaalin ominaisuuksia., Lämpötilagradientti on fysikaalinen määrä, joka kuvaa lämmön kulkusuuntaa ja-nopeutta. Lämpötilan virtaus tapahtuu aina kuumimmasta kylmimpään tai, kuten edellä todettiin, korkeammasta pienempään liike-energiaan. Kun kahden lämpötilaeron välillä on lämpötasapaino, terminen siirto pysähtyy.
läpileikkaus ja kulkureitti ovat molemmat tärkeä osa johtumista. Mitä suurempi on kohteen koko ja pituus, sitä enemmän energiaa tarvitaan sen lämmittämiseen. Mitä suurempi pinta-ala on, sitä enemmän lämpöä häviää., Pienemmillä kappaleilla, joissa on pienet poikkileikkaukset, on minimaalinen lämpöhäviö.
fysikaaliset ominaisuudet määrittävät, mitkä materiaalit siirtävät lämpöä muita paremmin. Erityisesti lämmönjohtavuus kerroin sanelee, että metal materiaali johtaa lämpöä paremmin kuin kankaalla, kun se tulee johtuminen. Seuraava yhtälö laskee korko johtuminen:
Q = /d
missä K = lämpö siirretään aikayksikössä; k = lämmönjohtavuus este; A = lämmön-siirto-alue; Thot = lämpötila kuuma alue; Tcold = lämpötila kylmän alueella; ja d = paksuus este.,
moderni käytön johtuminen on kehittänyt Tohtori Gyung-Min Choi Yliopistossa Illinois. Tri Choi käyttää spin-virtaa spin transfer-vääntömomentin tuottamiseen. Spin siirtää vääntömomentti on siirtää spin impulssimomentti syntyy johtuminen elektroneja magnetoinnin ferromagneetin. Magneettikenttien sijaan tämä mahdollistaa nanomagneettien manipuloinnin spin-virtauksilla., (Kiitos Alex Jerez, Imaging Technology Group, Beckman Institute)
Konvektio
Kun nestettä, kuten ilma tai neste on lämmitetty ja sitten matkustaa pois lähde, se kuljettaa lämpöenergiaa mukanaan. Tällaista lämmönsiirtoa kutsutaan konvektioksi. Kuuman pinnan yläpuolella oleva neste laajenee, vähenee ja nousee.
molekyylitasolla, molekyylit laajenevat, kun käyttöön lämpöenergiaa. Kun annetun nestemassan lämpötila nousee, nesteen tilavuuden on noustava samalla tekijällä. Tämä vaikutus nesteeseen aiheuttaa siirtymän., Kun välitön kuuma ilma nousee, se työntää tiheämpää, kylmempää ilmaa alas. Tämä tapahtumasarja kuvaa sitä, miten konvektiovirrat muodostuvat. Yhtälön konvektio hinnat on laskettu seuraavasti:
Q = hc · A · (Ts – Tf)
missä K = lämmön siirron aikayksikköä kohti; hc = konvektiivinen lämmönsiirtokerroin; A = lämmön-siirto-alue pinta; Ts = lämpötila pinnan; ja Tf = nesteen lämpötila.
tilaa lämmitin on klassinen kiertoilmauuni esimerkki., Kun tilalämmitin lämmittää sitä ympäröivää ilmaa lähellä lattiaa, ilma nousee lämpötilaan, laajenee ja nousee huoneen yläosaan. Tämä pakottaa viileämmän ilman niin, että se kuumenee, jolloin syntyy konvektiovirta.
säteily
lämpösäteily syntyy sähkömagneettisten aaltojen päästöistä. Nämä aallot kuljettavat energiaa pois säteilevästä kohteesta. Säteily tapahtuu tyhjiön tai minkä tahansa läpinäkyvän väliaineen (joko kiinteän tai nesteen) kautta. Lämpösäteily on suora seuraus aineen atomien ja molekyylien satunnaisista liikkeistä., Varattujen protonien ja elektronien liikkuminen johtaa sähkömagneettisen säteilyn päästöihin.
kaikki materiaalit säteilevät lämpöenergiaa lämpötilansa perusteella. Mitä kuumempi esine, sitä enemmän se säteilee. Aurinko on selkeä esimerkki lämpösäteilystä, joka siirtää lämpöä koko aurinkokuntaan. Normaaleissa huoneenlämpötiloissa esineet säteilevät infrapuna-aaltoina. Kohteen lämpötila vaikuttaa säteilevien aaltojen aallonpituuteen ja taajuuteen., Kun lämpötila kasvaa, aallonpituudet sisällä spektrin säteilyn väheneminen ja päästää lyhyempiä aallonpituuksia, joilla on korkeampi-säteilyä. Lämpösäteily on laskettu käyttämällä Stefan-Boltzmannin laki:
P = e · ä · A · (Tr4 – Tc4)
missä P = net säteilyteho; A = säteilevän alueen; Tr = lämpötila jäähdyttimen; Tc = lämpötilan ympäristössä; e = emissiokerroin; ja σ = Stefan on vakio.
ideaalipatterin emissiivisyys on arvoltaan 1. Yhteisillä materiaaleilla on pienemmät emissioarvot. Anodisoidun alumiinin emissioarvo on 0.,9, kun taas copper ’ s on 0,04.
aurinkokenno tai aurinkosähkön solua, muuntaa energiaa, valoa sähköksi kautta aurinkokennojen vaikutus. Valo imeytyy ja kiihottaa elektronin korkeampaan energiatilaan ja sähköpotentiaali syntyy latausten erottamisella. Aurinkopaneelien hyötysuhde on noussut viime vuosina. Elon Muskin perustaman SolarCityn tällä hetkellä valmistamien tuotteiden osuus on 22 prosenttia.
emissiivisyys määritellään kappaleen tehokkuudeksi energian säteilyttämisessä lämpösäteilynä., Se on suhde, tietyssä lämpötilassa, lämpö säteily pinta-säteilylle ihanteellinen musta pinta määräytyy Stefan-Boltzmannin laki. Stefanin vakio määräytyy luonnonvakioiden mukaan. Vakion arvo on seuraava: