Să vorbim despre ce este transferul de căldură. Acest termen se referă la procesul de transfer de energie în materie. Se caracterizează printr-un mecanism complex, descris de ecuația căldurii.
Soiuri de transfer de căldură
Cum este clasificat transferul de căldură? Conducerea căldurii, convecția și radiația sunt cele trei moduri de transfer de energie care există în natură.
Fiecare dintre ele are propriile caracteristici distinctive, caracteristici, aplicații în tehnologie.
Conductivitate termică
Cantitatea de căldură este înțeleasă ca suma energiei cinetice a moleculelor. Când se ciocnesc, sunt capabili să transfere o parte din căldura lor către particulele reci. Conductivitatea termică se manifestă maxim în solide, mai puțin tipică pentru lichide, absolut deloc tipică pentru substanțele gazoase.
Ca exemplu care confirmă capacitatea solidelor de a transfera căldură dintr-o zonă în alta, luați în considerare următorul experiment.
Dacă fixați nasturi metalici pe un fir de oțel, apoi aduceți capătul firului la o lampă cu spirit aprins, treptat butoanele vor începe să cadă de pe ea. Când sunt încălzite, moleculele încep să se miște cu o viteză mai mare, mai desse ciocnesc unul de altul. Aceste particule sunt cele care își oferă energia și căldura regiunilor mai reci. Dacă lichidele și gazele nu asigură un flux suficient de rapid de căldură, aceasta duce la o creștere bruscă a gradientului de temperatură în regiunea fierbinte.
Radiația de căldură
Răspunzând la întrebarea ce tip de transfer de căldură este însoțit de transfer de energie, este necesar să rețineți această metodă specială. Transferul radiant implică transferul de energie prin radiație electromagnetică. Această variantă se observă la o temperatură de 4000 K și este descrisă de ecuația de conducere a căldurii. Coeficientul de absorbție depinde de compoziția chimică, temperatură, densitatea unui anumit gaz.
Transferul de căldură al aerului are o anumită limită, cu o creștere a fluxului de energie, gradientul de temperatură crește, coeficientul de absorbție crește. După ce valoarea gradientului de temperatură depășește gradientul adiabatic, va avea loc convecția.
Ce este transferul de căldură? Acesta este procesul fizic de transfer de energie de la un obiect fierbinte la unul rece prin contact direct sau printr-o partiție care separă materialele.
Dacă corpurile aceluiași sistem au temperaturi diferite, atunci procesul de transfer de energie are loc până când se stabilește echilibrul termodinamic între ele.
Funcții de transfer de căldură
Ce este transferul de căldură? Care sunt caracteristicile acestui fenomen? Nu o poți opri complet, doar poțisa-si reduca viteza? Este transferul de căldură utilizat în natură și tehnologie? Este transferul de căldură care însoțește și caracterizează multe fenomene naturale: evoluția planetelor și a stelelor, procesele meteorologice de pe suprafața planetei noastre. De exemplu, împreună cu schimbul de masă, procesul de transfer de căldură vă permite să analizați răcirea prin evaporare, uscare, difuzie. Se realizează între doi purtători de energie termică printr-un perete solid, care acționează ca o interfață între corpuri.
Transferul de căldură în natură și tehnologie este o modalitate de a caracteriza starea unui corp individual, analizând proprietățile unui sistem termodinamic.
Legea lui Fourier
Se numește legea conducerii căldurii, deoarece leagă puterea totală a pierderii de căldură, diferența de temperatură cu aria secțiunii transversale a paralelipipedului, lungimea acestuia și, de asemenea, cu coeficientul de conductivitate termică. De exemplu, pentru un vid, acest indicator este aproape zero. Motivul pentru acest fenomen este concentrația minimă de particule de material într-un vid care poate transporta căldură. În ciuda acestei caracteristici, în vid există o variantă de transfer de energie prin radiație. Luați în considerare utilizarea transferului de căldură pe baza unui termos. Pereții săi sunt dublați pentru a crește procesul de reflexie. Aerul este pompat între ele, reducând în același timp pierderile de căldură.
Convecție
Răspunzând la întrebarea despre ce este transferul de căldură, luați în considerare procesul de transfer de căldură în lichidesau în gaze prin amestecare spontană sau forţată. În cazul convecției forțate, mișcarea materiei este cauzată de acțiunea unor forțe externe: palele ventilatorului, pompă. O opțiune similară este utilizată în situațiile în care convecția naturală nu este eficientă.
Se observă un proces natural în acele cazuri când, la încălzire neuniformă, straturile inferioare ale substanței sunt încălzite. Densitatea lor scade, se ridică. Straturile superioare, dimpotrivă, se răcesc, devin mai grele și se scufundă. În plus, procesul se repetă de mai multe ori, iar în timpul amestecării, se observă autoorganizarea în structura vârtejurilor, din celulele de convecție se formează o rețea obișnuită.
Datorită convecției naturale, se formează norii, cade precipitații și plăcile tectonice se mișcă. Prin convecție se formează granulele pe Soare.
Utilizarea corectă a transferului de căldură asigură pierderi minime de căldură, consum maxim.
Esența convecției
Pentru a explica convecția, puteți folosi legea lui Arhimede, precum și dilatarea termică a solidelor și lichidelor. Pe măsură ce temperatura crește, volumul lichidului crește și densitatea scade. Sub influența forței lui Arhimede, un lichid mai ușor (încălzit) tinde în sus, iar straturile reci (dense) cad în jos, încălzindu-se treptat.
Când lichidul este încălzit de sus, lichidul cald rămâne în poziția inițială, deci nu se observă convecție. Așa funcționează ciclulfluid, care este însoțit de transferul de energie din zonele calde în locurile reci. În gaze, convecția are loc conform unui mecanism similar.
Din punct de vedere termodinamic, convecția este considerată o variantă a transferului de căldură, în care transferul de energie internă are loc prin fluxuri separate de substanțe încălzite neuniform. Un fenomen similar are loc în natură și în viața de zi cu zi. De exemplu, caloriferele de încălzire sunt instalate la o înălțime minimă față de podea, lângă pervaz.
Aerul rece este încălzit de baterie, apoi se ridică treptat, unde se amestecă cu masele de aer rece care coboară de pe geam. Convecția duce la stabilirea unei temperaturi uniforme în încăpere.
Printre exemplele comune de convecție atmosferică se numără vânturile: musonii, brizele. Aerul care se încălzește peste unele fragmente de Pământ se răcește peste altele, drept urmare circulă, se transferă umiditatea și energia.
Caracteristici ale convecției naturale
Este influențată de mai mulți factori simultan. De exemplu, rata de convecție naturală este afectată de mișcarea zilnică a Pământului, curenții marini și topografia suprafeței. Convecția este baza pentru ieșirea din craterele vulcanilor și conductele de fum, formarea munților, înălțarea diferitelor păsări.
În concluzie
Radiația termică este un proces electromagnetic cu spectru continuu, care este emis de materie, are loc datorită energiei interne. Pentru a efectua calcule ale radiației termice, înFizica folosește modelul corpului negru. Descrieți radiația termică folosind legea Stefan-Boltzmann. Puterea de radiație a unui astfel de corp este direct proporțională cu suprafața și temperatura corpului, luate la a patra putere.
Conductivitatea termică este posibilă în orice corp care are o distribuție neuniformă a temperaturii. Esența fenomenului este modificarea energiei cinetice a moleculelor și atomilor, care determină temperatura corpului. În unele cazuri, conductivitatea termică este considerată capacitatea cantitativă a unei anumite substanțe de a conduce căldura.
Procesele la scară largă de schimb de energie termică nu se limitează la încălzirea suprafeței pământului prin radiația solară.
Curenții de convecție severi din atmosfera terestră sunt caracterizați de modificări ale condițiilor meteorologice pe întreaga planetă. Odată cu diferențele de temperatură în atmosferă între regiunile polare și ecuatoriale, apar fluxuri de convecție: fluxuri cu jet, vânturi alize, fronturi reci și calde.
Transferul de căldură de la miezul pământului la suprafață provoacă erupții vulcanice, apariția gheizerelor. În multe regiuni, energia geotermală este folosită pentru a genera energie electrică, pentru a încălzi spațiile rezidențiale și industriale.
Căldura este cea care devine un participant obligatoriu la multe tehnologii de producție. De exemplu, prelucrarea și topirea metalelor, fabricarea alimentelor, rafinarea petrolului, funcționarea motoarelor - toate acestea se realizează numai în prezența energiei termice.
