ПРЕНОС ТОПЛОТЕ: ЗАКОНИ, ОБЛИЦИ ПРЕНОСА, ПРИМЕРИ - ФИЗИЧКИ - 2025

Постоји пренос топлоте када енергија прелази из једног тела у друго због разлике у температури између њих. Процес преноса топлоте престаје чим су температуре тела у контакту једнаке или када се контакт између њих уклони.

Количина енергије која се преноси са једног тела на друго у одређеном временском периоду назива се пренесена топлота. Једно тело може давати топлоту другом или га може апсорбовати, али топлота увек прелази из тела са највишом температуром у тело са најнижом температуром.

Слика 1. У ватри постоје три механизма преноса топлоте: проводљивост, конвекција и зрачење. Извор: Пикабаи.

Јединице топлоте су исте као и енергије и у међународном систему мерења (СИ) то је јоуле (Ј). Остале јединице топлоте које се често користе су калорија и БТУ.

Што се тиче математичких закона који регулишу пренос топлоте, они зависе од механизма који је укључен у размену.

Када се топлота преноси од једног до другог тела, брзина којом се размењује топлота пропорционална је температурној разлици. То је познато као Фоуриеров закон топлотне проводљивости, што доводи до Невтоновог закона хлађења.

Облици / механизми преноса топлоте

Они су начини на које се топлота може изменити између два тела. Препозната су три механизма:

- Возим

-Конвекција

-Радиатион

У лонцу попут оног приказаног на горњој слици, налазе се ова три механизма за пренос топлоте:

- Метал у лонцу се загрева углавном кондукцијом.

-Вода и ваздух се загревају и повећавају конвекцијом.

-Људи у близини лонца греју се зрачењем које емитују.

Вожња

Топлотна проводљивост се одвија углавном у чврстим супстанцама, а посебно у металима.

На пример, шпорет у кухињи преноси топлину до хране унутар лонца кроз проводни механизам кроз метал дна и металне зидове посуде. У термичкој проводљивости нема транспорта материјала, већ само енергије.

Конвекција

Механизам конвекције типичан је за течности и гасове. Они су скоро увек мање густи на вишим температурама, због чега постоји пренос топлоте од горњих делова течности до виших подручја са хладнијим деловима течности. У механизму конвекције постоји транспорт материјала.

Зрачење

Са своје стране, механизам зрачења омогућава размену топлоте између два тела чак и када нису у контакту. Непосредни пример је Сунце, које греје Земљу кроз празан простор између њих.

Сва тела емитују и апсорбују електромагнетно зрачење. Ако имате два тела на различитим температурама, чак и ако сте у вакууму, после неког времена они ће достићи исту температуру услед размене топлоте електромагнетним зрачењем.

Брзина преноса топлоте

У равнотежним термодинамичким системима важна је количина укупне топлоте размењене са околином, тако да систем прелази из једног стања равнотеже у друго.

Са друге стране, код преноса топлоте интерес је усмерен на пролазни феномен, када системи још увек нису постигли топлотну равнотежу. Важно је напоменути да се количина топлоте размењује у одређеном временском периоду, односно да постоји брзина преноса топлоте.

Примери

- Примери топлотне проводљивости

У топлотној проводљивости топлотна енергија се преноси путем судара између атома и молекула материјала, било да је то чврста, течна или гасна.

Чврсти састојци су бољи проводници топлоте од гасова и течности. У металима постоје слободни електрони који се могу кретати кроз метал.

Како слободни електрони имају велику покретљивост, они су у стању да ефикасније преносе кинетичку енергију путем судара, због чега метали имају високу топлотну проводљивост.

Са макроскопског становишта, топлотна проводљивост се мери као количина пренесене топлоте по јединици времена или калорична струја Х:

Слика 2. Провод топлоте кроз шипку. Припремила Фанни Запата.

Калорична струја Х пропорционална је пресеку подручја А и варијацији температуре по јединици уздужне удаљености.

Ова једначина се примењује за израчунавање калорија тренутни Х има траку попут оне на слици 2, која је између два резервоара температуре Т ₁ и Т ₂ респективно, где Т ₁ > Т ₂ .

Топлотна проводљивост материјала

Испод је листа топлотне проводљивости неких материјала у ватима по метру по келвину: В / (м. К)

Алуминијум -------- 205

Бакар --------- 385

Сребро ---------- 400

Челик ---------– 50

Плута или фиберглас - 0,04

Бетон или стакло ----- 0,8

Дрво ----- 0,05 до 0,015

Ваздух --------– 0.024

- Примери конвекционе топлоте

При конвекцији топлоте енергија се преноси услед померања течности која при различитим температурама има различите густоће. На пример, када вода прокуха у лонцу, вода близу дна повећава температуру, па се шири.

Ово ширење доводи до пораста топле воде, док се хладна спушта како би заузела простор који је оставила топла вода која се уздизала. Резултат је кретање циркулације које траје све док се температуре свих нивоа не изједначе.

Конвекција је та која одређује кретање великих ваздушних маса у Земљиној атмосфери и такође одређује циркулацију морских струја.

- Примери топлотне радијације

У механизмима преноса топлоте кондукцијом и конвекцијом потребно је присуство материјала за пренос топлоте. Супротно томе, у механизму зрачења топлота може са вакуума прелазити са једног на друго тело.

Ово је механизам помоћу којег Сунце, на вишој температури од Земље, директно преноси енергију на нашу планету кроз вакуум свемира. Зрачење долази до нас путем електромагнетних таласа.

Сви материјали могу да емитују и апсорбују електромагнетно зрачење. Максимална емитована или апсорбована фреквенција зависи од температуре материјала и та фреквенција расте са температуром.

Преовлађујућа таласна дужина у емисијском или апсорпционом спектру црног тела следи Виенов закон, који каже да је преовлађујућа таласна дужина пропорционална обрнутој телесној температури.

С друге стране, снага (у ватима) којом тело емитује или апсорбује топлотну енергију електромагнетним зрачењем сразмерно је четвртој снази апсолутне температуре. То је познато као Стефанин закон:

П = εАσТ ⁴

У горњем изразу σ је Стефанова константа и њена вредност је 5,67 к 10-8 В / м ² К ⁴ . А је површина тела и ε је емисивност материјала, бездимензионална константа чија вредност је између 0 и 1, а зависи од материјала.

Вежба решена

Размотрите шипку на слици 2. Претпоставимо да је шипка дугачка 5 цм, радијуса 1 цм и да је направљена од бакра.

Бар је постављен између два зида који одржавају температуру константном. Први зид има температуру Т1 = 100 ° Ц, док је други на Т2 = 20 ° Ц. Одреди:

а.- Вредност топлотне струје Х

б.- Температура бакрене шипке на 2 цм, на 3 цм и на 4 цм од стијенке температуре Т1.

Решење за

Пошто се бакарна шипка поставља између два зида чији зидови одржавају исту температуру у сваком тренутку, може се рећи да је у стабилном стању. Другим речима, топлотна струја Х има исту вредност за сваки тренутак.

Да бисмо израчунали ову струју применимо формулу која односи струју Х са разликама у температурама и дужини бара.

Површина попречног пресека је:

А = πР ² = 3,14 * (1 × 10 ^-2 м) ² = 3,14 к 10 ^-4 м ²

Температурна разлика између крајева шипке је

ΔТ = (100ºЦ - 20ºЦ) = (373К - 293К) = 80К

Δк = 5 цм = 5 к 10 ^-2 м

Х = 385 В / (м К) * 3,14 к 10 ^-4 м ² * (80 К / 5 к 10 ^-2 м) = 193,4 В

Ова струја је иста у било којој тачки на шипци и у било којем тренутку, јер је постигнуто стабилно стање.

Решење б

У овом делу се тражи да израчунамо температуре Тп на тачки П се налази на растојању КСП од зида Т ₁ .

Израз који даје калоријску струју Х у тачки П је:

Из овог израза Тп се може израчунати према:

Израчунајмо температуру Тп на позицијама од 2 цм, 3 цм и 4 цм, замењујући нумеричке вредности:

• Тп = 340,6К = 67,6 ° Ц; 2 цм од Т1
• Тп = 324,4К = 51,4 ° Ц; 3 цм од Т1
• Тп = 308,2К = 35,2 ° Ц; 4 цм од Т1

Референце

1. Фигуероа, Д. 2005. Серија: Физика за науку и инжењерство. Том 5. Течности и термодинамика. Уредио Доуглас Фигуероа (УСБ).
2. Киркпатрицк, Л. 2007. Физика: поглед на свет. 6. скраћено издање. Ценгаге Леарнинг.
3. Лаи, Ј. 2004. Општа физика инжењера. УСАЦХ.
4. Мотт, Р. 2006. Механика флуида. Четврти. Едитион. Пеарсон Едуцатион.
5. Странгеваис, И. 2003. Мерење природне средине. 2нд. Едитион. Цамбридге Университи Пресс.
6. Википедиа. Топлотна проводљивост. Опоравак од: ес.википедиа.цом