ladda ner den här artikeln i PDF-format
värmeöverföring är den fysiska handlingen av termisk energi som utbyts mellan två system genom att avleda värme. Temperatur och värmeflöde är de grundläggande principerna för värmeöverföring. Mängden värmeenergi som är tillgänglig bestäms av temperaturen, och värmeflödet representerar rörelse av termisk energi.
i mikroskopisk skala är molekylernas kinetiska energi det direkta förhållandet till termisk energi., När temperaturen stiger ökar molekylerna i termisk agitation manifesterad i linjär rörelse och vibration. Regioner som innehåller högre kinetisk energi överför energin till regioner med lägre kinetisk energi. Enkelt uttryckt kan värmeöverföring grupperas i tre breda kategorier: ledning, konvektion och strålning.
bilden ovan, som tillhandahålls av NASA, belyser hur alla tre värmeöverföringsmetoder (ledning, konvektion och strålning) fungerar i samma miljö.
överledning
överledning överför värme via direkt molekylär kollision., Ett område med större kinetisk energi kommer att överföra termisk energi till ett område med lägre kinetisk energi. Högre hastighet partiklar kommer att kollidera med långsammare hastighet partiklar. De långsammare partiklarna kommer att öka i kinetisk energi som ett resultat. Ledning är den vanligaste formen av värmeöverföring och sker via fysisk kontakt. Exempel skulle vara att placera din hand mot ett fönster eller placera metall i en öppen flamma.
värmeledningsprocessen beror på följande faktorer: temperaturgradient, tvärsnitt av materialet, längden på resvägen och fysikaliska materialegenskaper., Temperaturgradienten är den fysiska kvantiteten som beskriver riktningen och hastigheten för värmeförflyttning. Temperaturflödet kommer alltid att ske från Hetaste till kallaste eller, som tidigare nämnts, högre till lägre kinetisk energi. När det finns termisk jämvikt mellan de två temperaturskillnaderna stannar den termiska överföringen.
tvärsnitt och resväg båda spelar en viktig roll i ledning. Ju större storlek och längd på ett objekt desto mer energi som krävs för att värma det. Ju större yta som exponeras desto mer värme går förlorad., Mindre föremål med små tvärsnitt har minimal värmeförlust.
fysikaliska egenskaper bestämmer vilka material som överför värme bättre än andra. Specifikt dikterar värmeledningskoefficienten att ett metallmaterial kommer att leda värme bättre än tyg när det gäller ledning. Följande ekvation beräknar ledningshastigheten:
Q = / d
där Q = värme överförd per tidsenhet; k = barriärens värmeledningsförmåga; a = värmeöverföringsområde; Thot = temperaturen i det heta området; Tcold = temperaturen i det kalla området; och d = barriärens tjocklek.,
En modern användning av ledning som utvecklats av Dr Gyung-Min Choi vid University of Illinois. Dr. Choi använder spin current för att generera spin transfer torque. Spinöverföringsmoment är överföringen av spinnvinkelmomentet som genereras av ledningselektronerna till magnetiseringen av en ferromagnet. I stället för att använda magnetfält tillåter detta manipulering av nanomagneter med spinnströmmar., (Artighet av Alex Jerez, Imaging Technology Group, The Beckman Institute)
konvektion
När en vätska, såsom Luft eller en vätska, upphettas och sedan reser bort från källan, bär den termisk energi längs. Denna typ av värmeöverföring kallas konvektion. Vätskan ovanför en het yta expanderar, blir mindre tät och stiger.
på molekylär nivå expanderar molekylerna vid introduktion av termisk energi. När temperaturen hos den givna vätskemassan ökar måste volymen av vätskan öka med samma faktor. Denna effekt på vätskan orsakar förskjutning., När den omedelbara varmluften stiger, trycker den tätare, kallare luft ner. Denna serie av händelser representerar hur konvektionsströmmar bildas. Ekvationen för konvektionsfrekvenser beräknas enligt följande:
Q = hc · a · (Ts – Tf)
där Q = värme överförd per tidsenhet; hc = konvektiv värmeöverföringskoefficient; a = värmeöverföringsyta på ytan; Ts = yttemperaturen; och TF = vätskans temperatur.
en värmare för rumsuppvärmning är ett klassiskt konvektionsexempel., När rymdvärmaren värmer luften som omger den nära golvet, kommer luften att öka i temperatur, expandera och stiga till toppen av rummet. Detta tvingar ned den kallare luften så att den blir uppvärmd, vilket skapar en konvektionsström.
strålning
termisk strålning genererar från emission av elektromagnetiska vågor. Dessa vågor bär energin bort från det emitterande objektet. Strålning sker genom vakuum eller något transparent medium (antingen fast eller flytande). Termisk strålning är det direkta resultatet av slumpmässiga rörelser av atomer och molekyler i materia., Förflyttning av laddade protoner och elektroner resulterar i utsläpp av elektromagnetisk strålning.
alla material utstrålar värmeenergi baserat på deras temperatur. Ju varmare ett objekt desto mer kommer det att utstråla. Solen är ett tydligt exempel på värmestrålning som överför värme över solsystemet. Vid normala rumstemperaturer utstrålar föremål som infraröda vågor. Objektets temperatur påverkar våglängden och frekvensen hos de utstrålade vågorna., När temperaturen ökar minskar våglängderna inom spektra av den emitterade strålningen och avger kortare våglängder med högre frekvensstrålning. Termisk strålning beräknas med hjälp av Stefan-Boltzmann-lagen:
p = e · σ · a · (Tr4 – Tc4)
där p = nettoutstrålad effekt; a = strålningsområde; Tr = radiatorens temperatur; TC = Omgivningstemperatur; e = emissivitet; och σ = Stefans konstant.
emissivitet för en idealisk radiator har ett värde av 1. Vanliga material har lägre emissivitetsvärden. Anodiserad aluminium har ett emissivitetsvärde på 0.,9 medan koppar är 0,04.
solcell eller solcell, omvandlar ljusets energi till el via solcellseffekten. Ljuset absorberas och exciterar electrcon till ett högre energitillstånd och den elektriska potentialen produceras genom separation av laddningar. Effektiviteten hos solpaneler har ökat de senaste åren. Faktum är att de som för närvarande produceras av SolarCity, ett företag som grundades av Elon Musk, ligger på 22%.
emissivitet definieras som ett objekts effektivitet vid emission av energi som termisk strålning., Det är förhållandet, vid en given temperatur, av den termiska strålningen från en yta till strålningen från en idealisk svart yta som bestäms av Stefan-Boltzmann-lagen. Stefans konstant bestäms av naturens konstanter. Värdet av konstanten är som följer: