Porozmawiajmy o tym, czym jest wymiana ciepła. Termin ten rozumiany jest jako proces przenoszenia energii w materii. Ma złożony mechanizm i jest opisana równaniem przewodzenia ciepła.
Odmiany wymiany ciepła
Jak podzielony jest transfer ciepła? Przewodnictwo cieplne, konwekcja, promieniowanie to trzy sposoby przekazywania energii, które istnieją w przyrodzie.
Każdy z nich ma swoje własne charakterystyczne cechy, cechy, zastosowania w technologii.
Przewodność cieplna
Ilość ciepła jest rozumiana jako ilośćenergia kinetyczna cząsteczek. Kiedy zderzają się, są w stanie przenieść część swojego ciepła na zimne cząsteczki. Przewodnictwo cieplne jest najbardziej widoczne w ciałach stałych, mniej typowe dla cieczy, absolutnie nietypowe dla substancji gazowych.
Jako przykład potwierdzający zdolność ciał stałych do przenoszenia ciepła z jednego obszaru do drugiego, rozważmy następujący eksperyment.
Jeśli jest przymocowany do drutu stalowegometalowe guziki, a następnie przyłóż koniec drutu do płonącej lampy spirytusowej, stopniowo przyciski zaczną z niego odpadać. Po podgrzaniu cząsteczki zaczynają poruszać się z większą prędkością, częściej zderzają się ze sobą. To właśnie te cząsteczki oddają swoją energię i ciepło w chłodniejsze obszary. Jeżeli nie jest zapewniony dostatecznie szybki odpływ ciepła w cieczach i gazach, prowadzi to do gwałtownego wzrostu gradientu temperatury w gorącym obszarze.
Promieniowanie cieplne
Odpowiadając na pytanie, jaki rodzaj wymiany ciepłatowarzyszy transfer energii, należy zwrócić uwagę na tę metodę. Transfer promieniowania obejmuje przenoszenie energii przez promieniowanie elektromagnetyczne. Ta opcja jest obserwowana w temperaturach od 4000K, jest opisana równaniem przewodnictwa cieplnego. Współczynnik pochłaniania zależy od składu chemicznego, temperatury i gęstości danego gazu.
Przenikanie ciepła przez powietrze ma pewną granicę,wraz ze wzrostem strumienia energii następuje wzrost gradientu temperatury, wzrost współczynnika pochłaniania. Po przekroczeniu przez wartość gradientu temperatury gradientu adiabatycznego następuje konwekcja.
Co to jest wymiana ciepła? Jest to fizyczny proces przenoszenia energii z gorącego przedmiotu na zimny poprzez bezpośredni kontakt lub przez przegrodę oddzielającą materiały.
Jeśli ciała tego samego układu mają różne temperatury, to proces przenoszenia energii zachodzi do momentu ustalenia między nimi równowagi termodynamicznej.
Funkcje wymiany ciepła
Co to jest wymiana ciepła?Jakie są cechy tego zjawiska? Nie da się go całkowicie zatrzymać, czy można tylko zmniejszyć jego przepływ? Czy wymiana ciepła jest wykorzystywana w przyrodzie i technologii? To wymiana ciepła towarzyszy i charakteryzuje wiele zjawisk przyrodniczych: ewolucję planet i gwiazd, procesy meteorologiczne na powierzchni naszej planety. Na przykład, wraz z wymianą masy, proces wymiany ciepła umożliwia analizę chłodzenia wyparnego, suszenia, dyfuzji. Odbywa się między dwoma nośnikami energii cieplnej przez litą ścianę, która działa jako interfejs między ciałami.
Przenikanie ciepła w przyrodzie i technologii to sposób na scharakteryzowanie stanu indywidualnego organizmu poprzez analizę właściwości układu termodynamicznego.
Prawo Fouriera
Nazywa się to prawem przewodnictwa cieplnego, ponieważwiąże całkowitą moc strat ciepła, różnicę temperatur z polem przekroju poprzecznego równoległościanu, jego długością, a także ze współczynnikiem przewodności cieplnej. Na przykład w przypadku próżni wskaźnik ten wynosi praktycznie zero. Przyczyną tego zjawiska jest minimalne stężenie cząstek materiału w próżni, które mogą przenosić ciepło. Pomimo tej cechy w próżni występuje wariant przekazywania energii przez promieniowanie. Rozważymy zastosowanie wymiany ciepła na podstawie termosu. Ściany są wykonane podwójnie, aby zwiększyć proces odbicia. Pomiędzy nimi wypompowywane jest powietrze, jednocześnie zmniejszając straty ciepła.
Konwekcja
Na pytanie, czym jest wymiana ciepła,Rozważ proces przenoszenia ciepła w cieczach lub gazach przez spontaniczne lub wymuszone mieszanie. W przypadku konwekcji wymuszonej ruch materii spowodowany jest działaniem sił zewnętrznych: łopatek wentylatora, pompy. Podobną opcję stosuje się w sytuacjach, gdy konwekcja naturalna nie jest skuteczna.
Naturalny proces obserwuje się w przypadkach, gdygdy przy nierównomiernym ogrzewaniu dolne warstwy substancji są podgrzewane. Ich gęstość maleje, rosną. Z drugiej strony górne warstwy stygną, stają się ciężkie i opadają. Ponadto proces powtarza się kilkakrotnie, a podczas mieszania obserwuje się samoorganizację w strukturę wirów, az komórek konwekcyjnych tworzy się regularna sieć.
Dzięki konwekcji naturalnej powstają chmury, opadają opady, a płyty tektoniczne przemieszczają się. Granulki powstają w wyniku konwekcji na Słońcu.
Prawidłowe wykorzystanie wymiany ciepła gwarantuje minimalne straty ciepła, maksymalne zużycie.
Istota konwekcji
Aby wyjaśnić konwekcję, możesz użyć prawaArchimedesa, a także rozszerzalności cieplnej ciał stałych i cieczy. Wraz ze wzrostem temperatury wzrasta objętość cieczy, gęstość maleje. Pod wpływem siły Archimedesa lżejszy (podgrzany) płyn ma tendencję do podnoszenia się, a zimne (gęste) warstwy opadają, stopniowo się nagrzewając.
Jeśli płyn nagrzewa się od góry, ciepły płynpozostaje w swojej pierwotnej pozycji, więc nie obserwuje się konwekcji. Dokładnie tak przebiega cykl płynów, któremu towarzyszy transfer energii z obszarów ogrzewanych do zimnych. W gazach konwekcja zachodzi w podobny sposób.
Z termodynamicznego punktu widzenia konwekcjauważane są za wariant wymiany ciepła, w którym przekazywanie energii wewnętrznej następuje w oddzielnych strumieniach substancji ogrzewanych nierównomiernie. Podobne zjawisko występuje w przyrodzie i życiu codziennym. Na przykład grzejniki są instalowane na minimalnej wysokości od podłogi, w pobliżu parapetu.
Akumulator podgrzewa wtedy zimne powietrzestopniowo unosi się do góry, gdzie miesza się z masami zimnego powietrza opadającymi z okna. Konwekcja prowadzi do równomiernej temperatury w pomieszczeniu.
Typowe przykłady atmosferywiatry konwekcyjne: monsuny, bryzy. Powietrze, które nagrzewa się nad niektórymi fragmentami Ziemi, ochładza się nad innymi, w wyniku czego krąży, przenosi wilgoć i energię.
Cechy konwekcji naturalnej
Ma na to wpływ kilka czynników jednocześnie.Na przykład codzienny ruch Ziemi, prądy morskie, ukształtowanie powierzchni wpływają na prędkość konwekcji naturalnej. To konwekcja jest podstawą wyjścia z kraterów wulkanu i rur dymnych, formowania się gór, szybowania różnych ptaków.
Podsumowując
Promieniowanie cieplne jest elektromagnetyczneproces o ciągłym widmie, który jest emitowany przez materię, zachodzi dzięki energii wewnętrznej. Aby przeprowadzić obliczenia promieniowania cieplnego, w fizyce wykorzystuje się model ciała doskonale czarnego. Promieniowanie cieplne opisano za pomocą prawa Stefana-Boltzmanna. Moc promieniowania takiego ciała jest wprost proporcjonalna do pola powierzchni i temperatury ciała, przyjmowana do czwartej potęgi.
Przewodnictwo cieplne jest możliwe w każdym takim ciałkumają nierównomierny rozkład temperatury. Istota tego zjawiska polega na zmianie energii kinetycznej cząsteczek i atomów, która determinuje temperaturę ciała. W niektórych przypadkach przewodnictwo cieplne jest uważane za ilościową zdolność danej substancji do przewodzenia ciepła.
Wielkoskalowe procesy wymiany energii cieplnej nie ograniczają się do ogrzewania powierzchni ziemi promieniowaniem słonecznym.
Poważne prądy konwekcyjne w atmosferze ziemskiejcharakteryzuje się zmianami warunków pogodowych na całej planecie. Przy różnicach temperatur w atmosferze między regionami polarnymi i równikowymi powstają przepływy konwekcyjne: prądy strumieniowe, pasaty, fronty zimne i ciepłe.
Przenikanie ciepła z jądra ziemi na powierzchniępowoduje erupcje wulkanów, pojawienie się gejzerów. W wielu regionach energia geotermalna jest wykorzystywana do wytwarzania energii elektrycznej, ogrzewania pomieszczeń mieszkalnych i przemysłowych.
To ciepło staje się obowiązkowym uczestnikiemwiele technologii produkcyjnych. Na przykład obróbka i wytapianie metali, produkcja żywności, rafinacja oleju, praca silnika - wszystko to odbywa się tylko w obecności energii cieplnej.
