Pobierz ten artykuł w formacie PDF
przenoszenie ciepła jest fizycznym aktem wymiany energii cieplnej między dwoma systemami poprzez rozpraszanie ciepła. Temperatura i przepływ ciepła to podstawowe zasady wymiany ciepła. Ilość dostępnej energii cieplnej jest określona przez temperaturę, a przepływ ciepła reprezentuje ruch energii cieplnej.
w skali mikroskopowej energia kinetyczna cząsteczek jest bezpośrednim stosunkiem do energii cieplnej., Wraz ze wzrostem temperatury, cząsteczki zwiększają się w mieszaniu termicznym przejawiającym się w ruchu liniowym i wibracjach. Regiony, które zawierają wyższą energię kinetyczną, przenoszą energię do regionów o niższej energii kinetycznej. Mówiąc najprościej, przenoszenie ciepła można podzielić na trzy szerokie kategorie: przewodzenie, konwekcję i promieniowanie.
powyższe zdjęcie, dostarczone przez NASA, podkreśla, jak wszystkie trzy metody wymiany ciepła (przewodzenie, konwekcja i promieniowanie) działają w tym samym środowisku.
przewodzenie
przewodzenie przenosi ciepło poprzez bezpośrednie zderzenie molekularne., Obszar o większej energii kinetycznej przeniesie energię cieplną do obszaru o niższej energii kinetycznej. Cząstki o większej prędkości zderzają się z cząstkami o mniejszej prędkości. W rezultacie cząstki o wolniejszej prędkości zwiększą energię kinetyczną. Przewodzenie jest najczęstszą formą wymiany ciepła i odbywa się poprzez kontakt fizyczny. Przykładem może być umieszczenie ręki na oknie lub umieszczenie metalu w otwartym płomieniu.
proces przewodzenia ciepła zależy od następujących czynników: gradientu temperatury, przekroju materiału, długości ścieżki ruchu i fizycznych właściwości materiału., Gradient temperatury to wielkość fizyczna, która opisuje kierunek i szybkość podróży ciepła. Przepływ temperatury zawsze występuje od najgorętszego do najzimniejszego lub, jak wspomniano wcześniej, od wyższej do niższej energii kinetycznej. Gdy istnieje równowaga termiczna między dwiema różnicami temperatur, termotransfer zatrzymuje się.
przekrój i ścieżka podróży odgrywają ważną rolę w przewodzeniu. Im większy rozmiar i długość obiektu, tym więcej energii jest potrzebne do jego ogrzania. A im większa powierzchnia jest narażona, tym więcej ciepła jest tracone., Mniejsze obiekty o małych przekrojach mają minimalne Straty ciepła.
właściwości fizyczne określają, które Materiały przenoszą ciepło lepiej niż inne. W szczególności współczynnik przewodności cieplnej dyktuje, że materiał metalowy będzie przewodził ciepło lepiej niż tkanina, jeśli chodzi o przewodzenie. Następujące równanie oblicza szybkość przewodzenia:
Q = / d
Gdzie Q = ciepło przenoszone na jednostkę czasu; k = przewodność cieplna bariery; A = obszar wymiany ciepła; Thot = temperatura obszaru gorącego; Tcold = temperatura obszaru zimnego; i d = grubość bariery.,
nowoczesne wykorzystanie przewodnictwa jest rozwijany przez dr Gyung-Min Choi na Uniwersytecie Illinois. Dr Choi używa prądu wirującego do generowania momentu obrotowego. Moment obrotowy przeniesienia spinu jest przeniesienie pędu kątowego spinu generowanego przez elektrony przewodzące do namagnesowania ferromagnetu. Zamiast używania pola magnetycznego, pozwala to na manipulację nanomagnetami prądami spinowymi., (Dzięki uprzejmości Alex Jerez, Imaging Technology Group, The Beckman Institute)
konwekcja
gdy ciecz, taka jak powietrze lub ciecz, jest podgrzewana, a następnie oddala się od źródła, przenosi energię cieplną wzdłuż. Ten rodzaj wymiany ciepła nazywa się konwekcją. Płyn nad gorącą powierzchnią rozszerza się, staje się mniej gęsty i unosi się.
na poziomie molekularnym cząsteczki rozszerzają się po wprowadzeniu energii cieplnej. Wraz ze wzrostem temperatury danej masy płynu, objętość płynu musi wzrosnąć o ten sam czynnik. Ten wpływ na płyn powoduje przemieszczenie., Gdy natychmiast gorące powietrze unosi się, spycha gęstsze, zimniejsze powietrze w dół. Ta seria zdarzeń przedstawia, w jaki sposób powstają prądy konwekcyjne. Równanie szybkości konwekcji oblicza się w następujący sposób:
Q = hc · A · (Ts – TF)
gdzie Q = ciepło przenoszone na jednostkę czasu; hc = konwekcyjny współczynnik przenikania ciepła; A = obszar wymiany ciepła powierzchni; Ts = temperatura powierzchni; i Tf = temperatura płynu.
Ogrzewacz pomieszczeń to klasyczny przykład konwekcji., Gdy grzejnik ogrzewa powietrze otaczające go w pobliżu podłogi, powietrze wzrośnie, rozszerzy się i wzniesie się do górnej części pomieszczenia. To zmusza chłodniejsze powietrze, tak aby zostało podgrzane, tworząc w ten sposób prąd konwekcyjny.
promieniowanie
promieniowanie cieplne powstaje z emisji fal elektromagnetycznych. Fale te przenoszą energię z dala od emitującego obiektu. Promieniowanie zachodzi przez próżnię lub dowolny przezroczysty Ośrodek (stały lub płynny). Promieniowanie cieplne jest bezpośrednim wynikiem przypadkowych ruchów atomów i cząsteczek w materii., Ruch naładowanych protonów i elektronów powoduje emisję promieniowania elektromagnetycznego.
wszystkie materiały emitują energię cieplną na podstawie ich temperatury. Im gorętszy obiekt, tym bardziej będzie promieniował. Słońce jest wyraźnym przykładem promieniowania cieplnego, które przenosi ciepło przez układ słoneczny. W normalnych temperaturach pomieszczenia obiekty promieniują jako fale podczerwone. Temperatura obiektu wpływa na długość fali i częstotliwość wypromieniowanych fal., Wraz ze wzrostem temperatury, długości fal w widmach emitowanego promieniowania zmniejszają się i emitują krótsze długości fal z promieniowaniem o wyższej częstotliwości. Promieniowanie cieplne jest obliczane przy użyciu prawa Stefana-Boltzmanna:
p = e · σ · a · (Tr4 – TC4)
gdzie p = moc promieniowania netto; a = pole promieniowania; Tr = temperatura grzejnika; Tc = Temperatura otoczenia; e = emisyjność; i σ = stała Stefana.
emisyjność dla idealnego grzejnika ma wartość 1. Typowe materiały mają niższe wartości emisyjności. Anodowane aluminium ma wartość emisyjności 0.,9, podczas gdy miedź wynosi 0,04.
Ogniwo słoneczne lub ogniwo fotowoltaiczne, przekształca energię światła w energię elektryczną poprzez efekt fotowoltaiczny. Światło jest absorbowane i wzbudza elektrcon do wyższego stanu energetycznego, a potencjał elektryczny jest wytwarzany przez rozdzielenie ładunków. Wydajność paneli słonecznych wzrosła w ostatnich latach. W rzeczywistości te, które są obecnie produkowane przez SolarCity, firmę współtworzoną przez Elona Muska, wynoszą 22%.
emisyjność definiuje się jako skuteczność obiektu w emitowaniu energii jako promieniowania cieplnego., Jest to stosunek, w danej temperaturze, promieniowania cieplnego z powierzchni do promieniowania z idealnej czarnej powierzchni, określony prawem Stefana-Boltzmanna. Stała Stefana jest wyznaczana przez stałe natury. Wartość stałej jest następująca: