download dit artikel in PDF-formaat
warmteoverdracht is de fysieke handeling van thermische energie die wordt uitgewisseld tussen twee systemen door warmte af te voeren. Temperatuur en de stroom van warmte zijn de basisprincipes van warmteoverdracht. De hoeveelheid beschikbare thermische energie wordt bepaald door de temperatuur, en de warmtestroom vertegenwoordigt beweging van thermische energie.
op microscopische schaal is de kinetische energie van moleculen de directe relatie met thermische energie., Naarmate de temperatuur stijgt, nemen de moleculen toe in thermische agitatie die zich manifesteert in lineaire beweging en trillingen. Regio ’s met hogere kinetische energie dragen de energie over naar regio’ s met lagere kinetische energie. Eenvoudig gezegd, warmteoverdracht kan worden gegroepeerd in drie brede categorieën: geleiding, convectie en straling.
de afbeelding hierboven, die door NASA wordt geleverd, laat zien hoe alle drie de warmte-overdrachtsmethoden (geleiding, convectie en straling) in dezelfde omgeving werken.
geleiding
geleiding brengt warmte over via directe moleculaire botsingen., Een gebied met grotere kinetische energie zal thermische energie overbrengen naar een gebied met lagere kinetische energie. Deeltjes met een hogere snelheid zullen botsen met deeltjes met een lagere snelheid. De deeltjes met een lagere snelheid zullen daardoor in kinetische energie toenemen. Geleiding is de meest voorkomende vorm van warmteoverdracht en vindt plaats via fysiek contact. Voorbeelden hiervan zijn het plaatsen van je hand tegen een raam of het plaatsen van metaal in een open vlam.
het proces van warmtegeleiding is afhankelijk van de volgende factoren: temperatuurgradiënt, doorsnede van het materiaal, lengte van het rijpad en fysische materiaaleigenschappen., De temperatuurgradiënt is de fysische grootheid die de richting en snelheid van warmte reizen beschrijft. Temperatuurstroom zal altijd plaatsvinden van heetste naar koudste of, zoals eerder vermeld, van hogere naar lagere kinetische energie. Zodra er thermisch evenwicht is tussen de twee temperatuurverschillen, stopt de thermische overdracht.
dwarsdoorsnede en reisweg spelen beide een belangrijke rol in geleiding. Hoe groter de grootte en lengte van een object, hoe meer energie nodig is om het te verwarmen. En hoe groter het blootgestelde oppervlak, hoe meer warmte verloren gaat., Kleinere objecten met kleine doorsneden hebben minimaal warmteverlies.
fysische eigenschappen bepalen welke materialen warmte beter overbrengen dan andere. Specifiek, de warmtegeleidingscoëfficiënt dicteert dat een metalen materiaal warmte beter zal geleiden dan doek als het gaat om geleiding. De volgende vergelijking berekent de geleidingssnelheid:
Q = / d
waarbij Q = warmteoverdracht per tijdseenheid; k = thermische geleidbaarheid van het blok; A = warmteoverdrachtgebied; Thot = temperatuur van het warme gebied; Tcold = temperatuur van het koude gebied; en d = dikte van het blok.,
een modern gebruik van geleiding wordt ontwikkeld door Dr.Gyung-Min Choi aan de Universiteit van Illinois. Dr. Choi gebruikt spinstroom om spin overdracht koppel te genereren. Spinoverdrachtkoppel is de overdracht van het door de geleidingselektronen gegenereerde draaimoment aan de magnetisatie van een ferromagnet. In plaats van magnetische velden te gebruiken, maakt dit de manipulatie van nanomagnets met spinstromen mogelijk., (Met dank aan Alex Jerez, Imaging Technology Group, het Beckman Institute)
convectie
wanneer een vloeistof, zoals lucht of een vloeistof, wordt verwarmd en vervolgens van de bron af reist, draagt deze de thermische energie mee. Dit type warmteoverdracht heet convectie. Vocht hoger boven verhit vlak breidt zich uit, wordt minder dicht, en stijgt op.
op moleculair niveau zetten de moleculen uit bij de introductie van thermische energie. Naarmate de temperatuur van de gegeven vloeistofmassa toeneemt, moet het volume van de vloeistof met dezelfde factor toenemen. Dit effect op de vloeistof veroorzaakt verplaatsing., Als de directe hete lucht stijgt, duwt het dichtere, koudere lucht naar beneden. Deze reeks gebeurtenissen geeft aan hoe convectiestromen worden gevormd. De vergelijking voor convectiesnelheden wordt als volgt berekend:
Q = hc * A * (Ts – Tf)
waarbij Q = warmteoverdracht per tijdseenheid; hc = convectieve warmteoverdrachtscoëfficiënt; A = warmteoverdrachtoppervlak van het oppervlak; Ts = temperatuur van het oppervlak; en Tf = temperatuur van de vloeistof.
een ruimteverwarmingstoestel is een klassiek convectievoorbeeld., Als de kachel verwarmt de lucht eromheen in de buurt van de vloer, zal de lucht te verhogen in temperatuur, uit te breiden, en stijgen naar de top van de kamer. Dit dwingt de koelere lucht naar beneden zodat deze wordt verwarmd, waardoor een convectiestroom ontstaat.
straling
thermische straling genereert uit de emissie van elektromagnetische golven. Deze golven dragen de energie weg van het emitterende object. Straling gebeurt via een vacuüm of een transparant medium (vast of vloeibaar). Thermische straling is het directe resultaat van willekeurige bewegingen van atomen en moleculen in materie., Beweging van de geladen protonen en elektronen resulteert in de emissie van elektromagnetische straling.
alle materialen stralen thermische energie uit op basis van hun temperatuur. Hoe heter een object, hoe meer het zal uitstralen. De zon is een duidelijk voorbeeld van warmtestraling die warmte over het zonnestelsel brengt. Bij normale kamertemperatuur stralen objecten uit als infraroodgolven. De temperatuur van het object beïnvloedt de golflengte en frequentie van de uitgestraalde golven., Naarmate de temperatuur stijgt, nemen de golflengten binnen de spectra van de uitgezonden straling af en zenden kortere golflengten uit met hogere frequentie straling. Thermische straling wordt berekend met behulp van de wet van Stefan-Boltzmann:
P = e * σ * A *(Tr4 – Tc4)
waarbij P = netto uitgestraald vermogen; A = stralingsgebied; Tr = temperatuur van de radiator; Tc = temperatuur van de omgeving; e = emissiviteit; en σ = Stefan ‘ S constante.
Emissiviteit voor een ideale radiator heeft een waarde van 1. Gewone materialen hebben lagere emissiviteitswaarden. Geanodiseerd aluminium heeft een emissiviteitswaarde van 0.,9 terwijl copper ‘ s 0,04 is.
zonnecel of fotovoltaïsche cel zet de energie van licht om in elektriciteit via het fotovoltaïsche effect. Licht wordt geabsorbeerd en prikkelt de electrcon naar een hogere energietoestand en het elektrische potentiaal wordt geproduceerd door de scheiding van ladingen. De efficiëntie van zonnepanelen is de afgelopen jaren gestegen. In feite, die momenteel worden geproduceerd door SolarCity, een bedrijf mede opgericht door Elon Musk, zijn op 22%.
Emissiviteit wordt gedefinieerd als de effectiviteit van een object in het uitzenden van energie als thermische straling., Het is de verhouding, bij een bepaalde temperatuur, van de thermische straling van een oppervlak tot de straling van een ideaal zwart oppervlak zoals bepaald door de wet van Stefan-Boltzmann. Stefan ‘ S constante wordt bepaald door constanten van de natuur. De waarde van de constante is als volgt: