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Wärmeübertragung ist der physikalische Akt des Wärmeenergieaustausches zwischen zwei Systemen durch Wärmeableitung. Temperatur und Wärmefluss sind die Grundprinzipien der Wärmeübertragung. Die Menge der verfügbaren Wärmeenergie wird durch die Temperatur bestimmt, und der Wärmefluss repräsentiert die Bewegung der Wärmeenergie.
Im mikroskopischen Maßstab ist die kinetische Energie von Molekülen die direkte Beziehung zur Wärmeenergie., Wenn die Temperatur steigt, nehmen die Moleküle an thermischer Erregung zu, die sich in linearer Bewegung und Vibration manifestiert. Regionen mit höherer kinetischer Energie übertragen die Energie in Regionen mit niedrigerer kinetischer Energie. Einfach ausgedrückt kann die Wärmeübertragung in drei große Kategorien eingeteilt werden: Leitung, Konvektion und Strahlung.
Das von der NASA bereitgestellte Bild zeigt, wie alle drei Wärmeübertragungsmethoden (Leitung, Konvektion und Strahlung) in derselben Umgebung funktionieren.
Leitung
Leitung überträgt Wärme über direkte molekulare Kollision., Ein Bereich mit größerer kinetischer Energie überträgt thermische Energie in einen Bereich mit geringerer kinetischer Energie. Partikel mit höherer Geschwindigkeit kollidieren mit Partikeln mit langsamerer Geschwindigkeit. Die langsamer Geschwindigkeitspartikel werden dadurch an kinetischer Energie zunehmen. Die Leitung ist die häufigste Form der Wärmeübertragung und erfolgt über physischen Kontakt. Beispiele wären, Ihre Hand gegen ein Fenster zu legen oder Metall in eine offene Flamme zu legen.
Der Prozess der Wärmeleitung hängt von folgenden Faktoren ab: Temperaturgradient, Querschnitt des Materials, Länge des Weges und physikalische Materialeigenschaften., Der Temperaturgradient ist die physikalische Größe, die die Richtung und Geschwindigkeit der Wärmeübertragung beschreibt. Der Temperaturfluss erfolgt immer vom heißesten zum kältesten oder, wie bereits erwähnt, von höherer bis niedrigerer kinetischer Energie. Sobald es ein thermisches Gleichgewicht zwischen den beiden Temperaturunterschieden gibt, stoppt die Wärmeübertragung.
Querschnitt und Fahrweg spielen bei der Leitung eine wichtige Rolle. Je größer die Größe und Länge eines Objekts ist, desto mehr Energie wird benötigt, um es zu erwärmen. Und je größer die freiliegende Oberfläche ist, desto mehr Wärme geht verloren., Kleinere Objekte mit kleinen Querschnitten haben einen minimalen Wärmeverlust.
Physikalische Eigenschaften bestimmen, welche Materialien Wärme besser übertragen als andere. Insbesondere bestimmt der Wärmeleitfähigkeitskoeffizient, dass ein Metallmaterial Wärme besser als Stoff leitet, wenn es um die Leitung geht. Die folgende Gleichung berechnet die Leitungsrate:
Q = / d
wobei Q = Wärmeübertragung pro Zeiteinheit; k = Wärmeleitfähigkeit der Barriere; A = Wärmeübertragungsbereich; Thot = Temperatur der heißen Region; Tcold = Temperatur der kalten Region; und d = Dicke der Barriere.,
An der University of Illinois wird von Dr. Gyung-Min Choi eine Methode zur Verwendung von Leitung entwickelt. Dr. Choi verwendet spin strom zu erzeugen spin transfer drehmoment. Spinübertragungsmoment ist die Übertragung des Spindrehimpulses, der durch die Leitungselektronen auf die Magnetisierung eines Ferromagneten erzeugt wird. Anstatt Magnetfelder zu verwenden, ermöglicht dies die Manipulation von Nanomagneten mit Spinströmen., (Mit freundlicher Genehmigung von Alex Jerez, Imaging Technology Group, The Beckman Institute)
Konvektion
Wenn eine Flüssigkeit, wie Luft oder eine Flüssigkeit, erhitzt wird und sich dann von der Quelle entfernt, trägt sie die Wärmeenergie mit sich. Diese Art der Wärmeübertragung wird Konvektion genannt. Die Flüssigkeit über einer heißen Oberfläche dehnt sich aus, wird weniger dicht und steigt an.
Auf molekularer Ebene dehnen sich die Moleküle bei der Einführung von Wärmeenergie aus. Wenn die Temperatur der gegebenen Flüssigkeitsmasse zunimmt, muss das Volumen der Flüssigkeit um den gleichen Faktor zunehmen. Dieser Effekt auf die Flüssigkeit verursacht Verschiebung., Wenn die unmittelbare heiße Luft aufsteigt, drückt sie dichtere, kältere Luft nach unten. Diese Ereignisreihe stellt dar, wie Konvektionsströme gebildet werden. Die Gleichung für Konvektionsraten wird wie folgt berechnet:
Q = hc · A · (Ts – Tf)
wobei Q = Wärmeübertragung pro Zeiteinheit; hc = konvektiver Wärmeübertragungskoeffizient; A = Wärmeübertragungsfläche der Oberfläche; Ts = Temperatur der Oberfläche; und Tf = Temperatur der Flüssigkeit.
Ein Raumheizer ist ein klassisches Konvektionsbeispiel., Wenn die Raumheizung die sie umgebende Luft in Bodennähe erwärmt, nimmt die Luft an Temperatur zu, dehnt sich aus und steigt an die Spitze des Raumes. Dies zwingt die kühlere Luft nach unten, so dass sie erwärmt wird, wodurch ein Konvektionsstrom erzeugt wird.
Strahlung
Wärmestrahlung entsteht durch die Emission elektromagnetischer Wellen. Diese Wellen tragen die Energie vom emittierenden Objekt weg. Strahlung erfolgt durch ein Vakuum oder ein transparentes Medium (entweder fest oder flüssig). Wärmestrahlung ist das direkte Ergebnis zufälliger Bewegungen von Atomen und Molekülen in der Materie., Die Bewegung der geladenen Protonen und Elektronen führt zur Emission elektromagnetischer Strahlung.
Alle Materialien strahlen Wärmeenergie basierend auf ihrer Temperatur aus. Je heißer ein Objekt, desto mehr strahlt es aus. Die Sonne ist ein klares Beispiel für Wärmestrahlung, die Wärme über das Sonnensystem überträgt. Bei normalen Raumtemperaturen strahlen Objekte als Infrarotwellen aus. Die Temperatur des Objekts beeinflusst die Wellenlänge und Frequenz der abgestrahlten Wellen., Mit zunehmender Temperatur nehmen die Wellenlängen innerhalb der Spektren der emittierten Strahlung ab und emittieren kürzere Wellenlängen mit hochfrequenter Strahlung. Die Wärmestrahlung wird unter Verwendung des Stefan-Boltzmann-Gesetzes berechnet:
P = e · σ · A · (Tr4 – Tc4)
wobei P = Nettoabstrahlungsleistung; A = Strahlungsfläche; Tr = Temperatur des Heizkörpers; Tc = Temperatur der Umgebung; e = Emissionsgrad; und σ = Stefans Konstante.
Emissionsgrad für einen idealen Heizkörper hat den Wert 1. Gängige Materialien haben niedrigere Emissionswerte. Eloxiertes Aluminium hat einen Emissionswert von 0.,9, während Kupfer ist 0.04.
solarzelle oder photovoltaikzelle, wandelt die energie von licht in strom über die photovoltaik wirkung. Licht wird absorbiert und regt die Elektronen zu einem höheren Energiezustand an und das elektrische Potential wird durch die Trennung von Ladungen erzeugt. Die Effizienz von Sonnenkollektoren ist in den letzten Jahren gestiegen. Tatsächlich liegen die derzeit von SolarCity, einem von Elon Musk mitbegründeten Unternehmen, produzierten Produkte bei 22%.
Emissionsgrad ist definiert als die Wirksamkeit eines Objekts bei der Emission von Energie als Wärmestrahlung., Es ist das Verhältnis, bei einer gegebenen Temperatur, der Wärmestrahlung von einer Oberfläche zu der Strahlung von einer idealen schwarzen Oberfläche, wie durch das Stefan-Boltzmann-Gesetz bestimmt. Stefans Konstante wird durch Konstanten der Natur bestimmt. Der Wert der Konstante ist wie folgt: