Poďme sa rozprávať o tom, čo je prenos tepla. Tento termín sa vzťahuje na proces prenosu energie v hmote. Vyznačuje sa zložitým mechanizmom opísaným tepelnou rovnicou.
Rôzne prenosu tepla
Ako sa klasifikuje prenos tepla? Vedenie tepla, prúdenie, žiarenie sú tri spôsoby prenosu energie, ktoré existujú v prírode.
Každá z nich má svoje vlastné charakteristické vlastnosti, vlastnosti, aplikácie v technológii.
Tepelná vodivosť
Množstvo tepla sa chápe ako súčet kinetickej energie molekúl. Keď sa zrazia, sú schopné odovzdať časť svojho tepla studeným časticiam. Tepelná vodivosť sa maximálne prejavuje v pevných látkach, menej typická pre kvapaliny, absolútne netypická pre plynné látky.
Ako príklad, ktorý potvrdzuje schopnosť pevných látok prenášať teplo z jednej oblasti do druhej, zvážte nasledujúci experiment.
Ak pripevníte kovové gombíky na oceľové lanko a potom koniec drôtu privediete k horiacej liehovinovej lampe, gombíky z nej postupne začnú odpadávať. Po zahriatí sa molekuly začnú pohybovať rýchlejšie, častejšienaraziť do seba. Práve tieto častice dodávajú svoju energiu a teplo chladnejším oblastiam. Ak kvapaliny a plyny neposkytujú dostatočne rýchly odtok tepla, vedie to k prudkému zvýšeniu teplotného gradientu v horúcej oblasti.
Tepelné žiarenie
Pri odpovedi na otázku, aký typ prenosu tepla je sprevádzaný prenosom energie, je potrebné si všimnúť práve tento spôsob. Prenos žiarenia zahŕňa prenos energie elektromagnetickým žiarením. Tento variant je pozorovaný pri teplote 4000 K a je opísaný rovnicou vedenia tepla. Absorpčný koeficient závisí od chemického zloženia, teploty, hustoty určitého plynu.
Prenos tepla vzduchu má určitú hranicu, s nárastom toku energie sa zvyšuje teplotný gradient, zvyšuje sa koeficient absorpcie. Keď hodnota teplotného gradientu prekročí adiabatický gradient, dôjde ku konvekcii.
Čo je prenos tepla? Toto je fyzikálny proces prenosu energie z horúceho objektu na studený priamym kontaktom alebo cez prepážku, ktorá oddeľuje materiály.
Ak majú telesá toho istého systému rozdielne teploty, dochádza k procesu prenosu energie, kým sa medzi nimi nevytvorí termodynamická rovnováha.
Funkcie prenosu tepla
Čo je prenos tepla? Aké sú vlastnosti tohto fenoménu? Nemôžete to úplne zastaviť, môžete lenznížiť jeho rýchlosť? Využíva sa prenos tepla v prírode a technike? Je to prenos tepla, ktorý sprevádza a charakterizuje mnohé prírodné javy: vývoj planét a hviezd, meteorologické procesy na povrchu našej planéty. Napríklad spolu s výmenou hmoty vám proces prenosu tepla umožňuje analyzovať chladenie odparovaním, sušenie, difúziu. Uskutočňuje sa medzi dvoma nosičmi tepelnej energie cez pevnú stenu, ktorá funguje ako rozhranie medzi telesami.
Prenos tepla v prírode a technológii je spôsob, ako charakterizovať stav jednotlivého tela, analyzovať vlastnosti termodynamického systému.
Fourierov zákon
Nazýva sa to zákon vedenia tepla, pretože spája celkový výkon tepelných strát, teplotný rozdiel s plochou prierezu rovnobežnostena, jeho dĺžkou a tiež s koeficientom tepelnej vodivosti. Napríklad pre vákuum je tento indikátor takmer nulový. Dôvodom tohto javu je minimálna koncentrácia častíc materiálu vo vákuu, ktoré môžu prenášať teplo. Napriek tejto vlastnosti vo vákuu existuje variant prenosu energie žiarením. Zvážte použitie prenosu tepla na základe termosky. Jeho steny sú dvojité, aby sa zvýšil proces odrazu. Vzduch sa odčerpáva medzi nimi a zároveň znižuje tepelné straty.
Konvekcia
Pri odpovedi na otázku, čo je to prenos tepla, zvážte proces prenosu tepla v kvapalináchalebo v plynoch spontánnym alebo núteným miešaním. V prípade nútenej konvekcie je pohyb hmoty spôsobený pôsobením vonkajších síl: lopatky ventilátora, čerpadlo. Podobná možnosť sa používa v situáciách, keď prirodzená konvekcia nie je účinná.
Prirodzený proces sa pozoruje v tých prípadoch, keď sa pri nerovnomernom ohreve zahrievajú spodné vrstvy látky. Ich hustota klesá, stúpajú. Horné vrstvy sa naopak ochladzujú, ťažia a klesajú. Ďalej sa proces niekoľkokrát opakuje a pri miešaní sa pozoruje samoorganizácia do štruktúry vírov, z konvekčných buniek sa vytvorí pravidelná mriežka.
Vplyvom prirodzenej konvekcie sa tvoria mraky, padajú zrážky a pohybujú sa tektonické platne. Konvekciou sa na Slnku tvoria granuly.
Správne využitie prenosu tepla zaisťuje minimálne tepelné straty, maximálnu spotrebu.
Podstata konvekcie
Na vysvetlenie konvekcie môžete použiť Archimedov zákon, ako aj tepelnú rozťažnosť pevných látok a kvapalín. So stúpajúcou teplotou sa objem kvapaliny zväčšuje a hustota klesá. Pod vplyvom Archimedovej sily má ľahšia (zahriata) kvapalina tendenciu nahor a studené (husté) vrstvy padajú dole a postupne sa ohrievajú.
Keď sa kvapalina zahrieva zhora, teplá kvapalina zostáva vo svojej pôvodnej polohe, takže nie je pozorovaná žiadna konvekcia. Takto funguje cyklustekutiny, ktorá je sprevádzaná prenosom energie z teplých oblastí do chladných miest. V plynoch prebieha konvekcia podľa podobného mechanizmu.
Z termodynamického hľadiska sa konvekcia považuje za variant prenosu tepla, pri ktorom k prenosu vnútornej energie dochádza samostatnými tokmi nerovnomerne ohrievaných látok. Podobný jav sa vyskytuje v prírode aj v každodennom živote. Napríklad radiátory sú inštalované v minimálnej výške od podlahy, blízko parapetu.
Studený vzduch sa ohrieva batériou, potom postupne stúpa nahor, kde sa mieša s masami studeného vzduchu, ktoré zostupujú z okna. Konvekcia vedie k nastoleniu rovnomernej teploty v miestnosti.
Medzi bežné príklady atmosférickej konvekcie patria vetry: monzúny, vánky. Vzduch, ktorý sa ohrieva nad niektorými úlomkami Zeme, sa nad inými ochladzuje, v dôsledku čoho cirkuluje, odovzdáva sa vlhkosť a energia.
Vlastnosti prirodzenej konvekcie
Ovplyvňuje ho viacero faktorov naraz. Napríklad rýchlosť prirodzenej konvekcie je ovplyvnená každodenným pohybom Zeme, morskými prúdmi a povrchovou topografiou. Je to konvekcia, ktorá je základom pre výstup z kráterov sopky a dymových rúr, vytváranie hôr, stúpanie rôznych vtákov.
Na záver
Tepelné žiarenie je elektromagnetický proces so spojitým spektrom, ktorý vyžaruje hmota, vzniká vďaka vnútornej energii. Aby bolo možné vykonať výpočty tepelného žiarenia, vFyzika používa model čierneho telesa. Opíšte tepelné žiarenie pomocou Stefanovho-Boltzmannovho zákona. Sila žiarenia takéhoto telesa je priamo úmerná ploche povrchu a teplote tela, počítaná so štvrtou mocninou.
Tepelná vodivosť je možná v akomkoľvek telese, ktoré má nerovnomerné rozloženie teploty. Podstatou javu je zmena kinetickej energie molekúl a atómov, ktorá určuje teplotu telesa. V niektorých prípadoch sa tepelná vodivosť považuje za kvantitatívnu schopnosť určitej látky viesť teplo.
Rozsiahle procesy výmeny tepelnej energie sa neobmedzujú len na zahrievanie zemského povrchu slnečným žiarením.
Silné konvekčné prúdy v zemskej atmosfére sú charakterizované zmenami poveternostných podmienok na celej planéte. S teplotnými rozdielmi v atmosfére medzi polárnymi a rovníkovými oblasťami vznikajú konvekčné prúdy: tryskové prúdy, pasáty, studený a teplý front.
Prenos tepla zo zemského jadra na povrch spôsobuje sopečné erupcie, výskyt gejzírov. V mnohých regiónoch sa geotermálna energia využíva na výrobu elektriny, vykurovanie obytných a priemyselných priestorov.
Práve teplo sa stáva povinným účastníkom mnohých výrobných technológií. Napríklad spracovanie a tavenie kovov, výroba potravín, rafinácia ropy, prevádzka motorov - to všetko sa vykonáva iba za prítomnosti tepelnej energie.
