töltse le ezt a cikket PDF formátumban
a hőátadás a hőenergia fizikai cselekedete, amelyet két rendszer között cserélnek a hő eloszlatásával. A hőátadás alapelvei a hőmérséklet és a hőáramlás. A rendelkezésre álló hőenergia mennyiségét a hőmérséklet határozza meg, a hőáramlás pedig a hőenergia mozgását jelenti.
mikroszkopikus skálán a molekulák kinetikus energiája a hőenergiával való közvetlen kapcsolat., Ahogy a hőmérséklet emelkedik, a molekulák növelik a termikus agitáció nyilvánul lineáris mozgás, rezgés. A magasabb kinetikus energiát tartalmazó régiók az energiát alacsonyabb kinetikus energiával rendelkező régiókba továbbítják. Egyszerűen fogalmazva, a hőátadás három nagy kategóriába sorolható: vezetőképesség, konvekció, sugárzás.
a fenti kép, amelyet a NASA nyújtott, rávilágít arra, hogy mindhárom hőátadási módszer (vezetési, konvekció és sugárzás) hogyan működik ugyanabban a környezetben.
vezetés
a vezetés közvetlen molekuláris ütközés útján továbbítja a hőt., A nagyobb kinetikus energia területe a hőenergiát alacsonyabb kinetikus energiával rendelkező területre továbbítja. A nagyobb sebességű részecskék ütköznek lassabb sebességű részecskékkel. Ennek eredményeként a lassabb sebességű részecskék növelik a kinetikus energiát. A hőátadás leggyakoribb formája a vezetőképesség, amely fizikai érintkezés útján történik. Példák az lenne, hogy a kezét egy ablakhoz helyezzük, vagy a fémet nyílt lángba helyezzük.
a hővezetési folyamat a következő tényezőktől függ: hőmérséklet-gradiens, az anyag keresztmetszete, az út hossza, valamint a fizikai anyag tulajdonságai., A hőmérséklet-gradiens az a fizikai mennyiség, amely leírja a hőáramlás irányát és sebességét. A hőmérsékleti áramlás mindig a legmelegebbtől a leghidegebbig, vagy-amint azt korábban említettük-magasabb vagy alacsonyabb kinetikus energiaig terjed. Miután a két hőmérsékleti különbség között termikus egyensúly van, a hőátadás leáll.
a keresztmetszet és az utazási útvonal egyaránt fontos szerepet játszik a vezetésben. Minél nagyobb egy tárgy mérete és hossza, annál több energia szükséges ahhoz, hogy felmelegítse. Minél nagyobb a kitett felület, annál nagyobb a hőveszteség., A kisebb keresztmetszetű kisebb tárgyak minimális hőveszteséggel rendelkeznek.
fizikai tulajdonságok határozzák meg, hogy mely anyagok továbbítják a hőt jobban, mint mások. Pontosabban, a hővezetési együttható azt diktálja, hogy egy fém anyag jobban vezet hőt, mint a ruha, amikor vezetésről van szó. A következő egyenlet kiszámítja a vezetési sebességet:
Q = / d
ahol Q = az egységnyi idő alatt átadott hő; k = a gát hővezető képessége; A = hőátadó terület; Thot = a forró régió hőmérséklete; Tcold = a hideg régió hőmérséklete; és d = a gát vastagsága.,
a vezetés modern használatát Dr. Gyung-Min Choi fejlesztette ki az Illinois Egyetemen. Dr. Choi spin áramot használ a spin átviteli nyomaték előállításához. A Spin átviteli nyomaték a vezető elektronok által generált spin szöglökés átvitele a ferromagnet mágnesezésére. A mágneses mezők használata helyett ez lehetővé teszi a nanomágnesek spin áramokkal történő manipulálását., (Jóvoltából Alex Jerez, Imaging Technology Group, The Beckman Institute)
konvekció
amikor egy folyadék, mint a levegő vagy a folyadék, melegítjük, majd utazik el a forrás, hordozza a hőenergia mentén. Az ilyen típusú hőátadást konvekciónak nevezik. A forró felület feletti folyadék kitágul, kevésbé sűrűvé válik, emelkedik.
molekuláris szinten a molekulák a hőenergia bevezetésével bővülnek. Ahogy az adott folyadéktömeg hőmérséklete nő, a folyadék térfogatának ugyanolyan tényezővel kell növekednie. Ez a folyadékra gyakorolt hatás elmozdulást okoz., Ahogy az azonnali forró levegő emelkedik, sűrűbb, hidegebb levegőt nyom le. Ez az eseménysorozat azt mutatja, hogy a konvekciós áramok hogyan alakulnak ki. A konvekciós sebesség egyenletét a következőképpen kell kiszámítani:
Q = hc · A * (Ts-Tf)
ahol Q = hő át egységnyi idő; hc = konvektív hőátadási együttható; A = A felület hőátadási területe; Ts = a felület hőmérséklete; és TF = a folyadék hőmérséklete.
a helyiségfűtés klasszikus konvekciós példa., Ahogy a helyiségfűtő felmelegíti a körülötte lévő levegőt a padló közelében, a levegő hőmérséklete megnő, kitágul, majd a szoba tetejére emelkedik. Ez csökkenti a hűvösebb levegőt úgy, hogy felmelegedjen, ezáltal konvekciós áramot hoz létre.
sugárzás
Az elektromágneses hullámok kibocsátásából származó termikus sugárzás. Ezek a hullámok hordozzák az energiát a kibocsátó tárgytól. A sugárzás vákuumban vagy átlátszó közegben (szilárd vagy folyadék) történik. A termikus sugárzás az anyagban lévő atomok és molekulák véletlenszerű mozgásának közvetlen eredménye., A töltött protonok és elektronok mozgása elektromágneses sugárzást eredményez.
minden anyag hőenergiát sugároz a hőmérsékletük alapján. Minél melegebb egy tárgy, annál inkább sugárzik. A nap egyértelmű példa a hő sugárzásra, amely hőt továbbít a Naprendszeren keresztül. Normál szobahőmérsékleten a tárgyak infravörös hullámokként sugároznak. Az objektum hőmérséklete befolyásolja a sugárzott hullámok hullámhosszát és frekvenciáját., A hőmérséklet növekedésével a kibocsátott sugárzás spektrumán belüli hullámhossz csökken, és magasabb frekvenciájú sugárzással rövidebb hullámhosszokat bocsát ki. A termikus sugárzást a Stefan-Boltzmann – törvény alapján számítják ki:
p = e · σ · a · (Tr4-Tc4)
ahol P = nettó sugárzott teljesítmény; a = sugárzó terület; Tr = a radiátor hőmérséklete; Tc = a környezet hőmérséklete; e = emisszivitás; és σ = Stefan állandója.
Az ideális radiátor emissziós értéke 1. A közös anyagok alacsonyabb emissziós értékekkel rendelkeznek. Az eloxált alumínium emissziós értéke 0.,9, míg a réz 0,04.
napelem vagy fotovoltaikus cella, átalakítja a fény energiáját villamos energiává a fotovoltaikus hatás révén. A fény elnyelődik, és magasabb energiájú állapotba gerjeszti az elektromosságot, az elektromos potenciál pedig a töltések szétválasztásával keletkezik. A napelemek hatékonysága az elmúlt években nőtt. Valójában azok, amelyeket jelenleg a SolarCity, az Elon Musk által alapított vállalat gyárt, 22% – on állnak.
az Emisszivitás úgy definiálható, mint egy objektum hatékonysága az energia hő sugárzásként történő kibocsátásában., Ez az arány, egy adott hőmérsékleten, a termikus sugárzás egy felületről a sugárzás egy ideális fekete felület által meghatározott Stefan-Boltzmann törvény. Stefan állandóját a természet állandói határozzák meg. Az állandó értéke a következő: