ŠILUMOS PERDAVIMAS: ĮSTATYMAI, PERDAVIMO FORMOS, PAVYZDŽIAI - FIZINIS - 2025

Yra šilumos perdavimo , kai energija išeina iš vienos įstaigos į kitą, dėl to, kad temperatūros skirtumas tarp šių dviejų. Šilumos perdavimo procesas nutrūksta, kai tik liečiasi liečiamų kūnų temperatūra arba kai pašalinamas jų kontaktas.

Iš vieno kūno į kitą per tam tikrą laiką perduotos energijos kiekis vadinamas pernešamąja šiluma. Vienas kūnas gali duoti šilumą kitam arba gali jį absorbuoti, tačiau šiluma visada eina iš kūno, kuriame yra aukščiausia temperatūra, į kūną, kuriame žemiausia temperatūra.

1 paveikslas. Lauke yra trys šilumos perdavimo mechanizmai: laidumas, konvekcija ir radiacija. Šaltinis: „Pixabay“.

Šilumos vienetai yra tokie patys kaip energijos vienetų, o tarptautinėje matavimų sistemoje (SI) tai yra džaulis (J). Kiti dažnai naudojami šilumos vienetai yra kalorijos ir BTU.

Kalbant apie matematinius dėsnius, reglamentuojančius šilumos perdavimą, jie priklauso nuo mainų mechanizmo.

Kai šiluma yra perduodama iš vieno kūno į kitą, šilumos mainų greitis yra proporcingas temperatūros skirtumui. Tai yra žinoma kaip Furjė šilumos laidumo dėsnis, kuris veda prie Niutono aušinimo dėsnio.

Šilumos perdavimo formos / mechanizmai

Tai yra būdai, kuriais šiluma gali pasikeisti tarp dviejų kūnų. Pripažįstami trys mechanizmai:

-Vairuoja

-Konvekcija

-Radiacija

Puode, kaip parodyta aukščiau esančiame paveikslėlyje, yra šie trys šilumos perdavimo mechanizmai:

-Metonas puode kaitinamas daugiausia laidumu.

-Vanduo ir oras šildomi ir kyla konvekcijos būdu.

- Žmonės šalia puodo yra šildomi skleidžiamos radiacijos.

Vairuoja

Šilumos laidumas dažniausiai vyksta kietose medžiagose, ypač metaluose.

Pavyzdžiui, viryklė virtuvėje perduoda laidumo mechanizmui šilumą maistui puodo viduje per dugno metalą ir metalines indo sienas. Šiluminiame laidume nėra medžiagų transportavimo, tik energija.

Konvekcija

Konvekcijos mechanizmas būdingas skysčiams ir dujoms. Aukštesnėje temperatūroje jie beveik visada būna mažiau tankūs, dėl šios priežasties šiluma iš šiltesnių skysčių dalių į aukštesnius regionus patenka į šaltą skysčio dalį. Konvekcijos mechanizme yra medžiagų transportavimas.

Spinduliuotė

Savo ruožtu radiacijos mechanizmas leidžia šilumai pasikeisti tarp dviejų kūnų, net kai jie neliečia. Tiesioginis pavyzdys yra Saulė, kuri šildo Žemę per tuščią erdvę tarp jų.

Visi kūnai skleidžia ir sugeria elektromagnetinę spinduliuotę. Jei turite du kūnus skirtingoje temperatūroje, net būdami vakuume, po kurio laiko jie pasieks tą pačią temperatūrą dėl šilumos mainų elektromagnetine spinduliuote.

Šilumos perdavimo greitis

Pusiausvyros termodinaminėse sistemose svarbu, kiek šilumos pasikeičia su aplinka, taigi sistema pereina iš vienos pusiausvyros būsenos į kitą.

Kita vertus, perduodant šilumą, daugiausia dėmesio skiriama pereinamojo laikotarpio reiškiniui, kai sistemos dar nepasiekė šiluminės pusiausvyros. Svarbu pažymėti, kad šilumos kiekis keičiamasi per tam tikrą laiką, tai yra, yra šilumos perdavimo greitis.

Pavyzdžiai

- Šilumos laidumo pavyzdžiai

Šilumos laidumas šilumos energiją perduoda per susidūrimus tarp medžiagos atomų ir molekulių, nesvarbu, ar tai kieti, skysti ar dujiniai.

Kietosios dalelės yra geresnės šilumos laidžiosios nei dujos ir skysčiai. Metaluose yra laisvųjų elektronų, kurie gali judėti per metalą.

Kadangi laisvieji elektronai yra labai judrūs, jie efektyviau gali perduoti kinetinę energiją per susidūrimus, todėl metalai turi aukštą šilumos laidumą.

Makroskopiniu požiūriu šilumos laidumas matuojamas kaip per laiką perduotos šilumos kiekis arba kalorinė srovė H:

2 pav. Šilumos laidumas per strypą. Parengė Fanny Zapata.

Kalorinė srovė H yra proporcinga A srities skerspjūviui ir temperatūros kitimui išilginio atstumo vienetui.

Ši lygtis taikoma norint apskaičiuoti strypo, kaip pavaizduoto 2 paveiksle, kalorinę srovę H, kuri yra tarp dviejų T ₁ ir T ₂ temperatūrų rezervuarų , kur T ₁ > T ₂ .

Medžiagų šilumos laidumas

Žemiau pateikiamas kai kurių medžiagų šilumos laidumo koeficientas vatais metre vienam kelvinui: W / (m. K)

Aliuminis -------- 205

Varis --------- 385

Sidabras ---------- 400

Plienas ---------– 50

Kamštiena arba stiklo pluoštas - 0,04

Betonas arba stiklas ----- 0,8

Mediena ---- nuo 0,05 iki 0,015

Oras --------– 0,024

- Konvekcinės šilumos pavyzdžiai

Šilumos konvekcijos metu energija perduodama dėl skysčio judėjimo, kuris skirtingose ​​temperatūrose turi skirtingą tankį. Pavyzdžiui, verdant vandenį puode, vanduo šalia dugno padidina jo temperatūrą, todėl jis plečiasi.

Dėl šio išsiplėtimo karštas vanduo kyla, o šaltasis - žemyn, kad užimtų vietą, kurią paliko karštas vanduo, kuris pakilo. Rezultatas - cirkuliacijos judėjimas, kuris tęsiasi tol, kol visų lygių temperatūra nesilygsta.

Konvekcija lemia didelių oro masių judėjimą Žemės atmosferoje, taip pat lemia jūrų srovių cirkuliaciją.

- Spindulinės šilumos pavyzdžiai

Šilumos perdavimo laidumu ir konvekcija mechanizmuose šilumai perduoti reikalinga medžiaga. Spinduliavimo mechanizme šiluma vakuume gali pereiti iš vieno kūno į kitą.

Tai yra mechanizmas, kuriuo Saulė aukštesnėje nei Žemės temperatūroje perduoda energiją į mūsų planetą tiesiai per kosmoso vakuumą. Spinduliuotė ateina pas mus per elektromagnetines bangas.

Visos medžiagos gali skleisti ir absorbuoti elektromagnetinę spinduliuotę. Maksimalus skleidžiamo ar absorbuoto dažnis priklauso nuo medžiagos temperatūros ir šis dažnis didėja kartu su temperatūra.

Vyraujantis bangos ilgis juodo kūno emisijos ar absorbcijos spektre atitinka Wien dėsnį, kuriame teigiama, kad vyraujantis bangos ilgis yra proporcingas kūno temperatūros atvirkščiai.

Kita vertus, galia (vatais), kuria kūnas skleidžia ar sugeria šilumos energiją elektromagnetinės spinduliuotės metu, yra proporcinga absoliučiosios temperatūros ketvirtajai galiai. Tai vadinama Stefano įstatymu:

P = εAσT ⁴

Aukščiau pateiktoje išraiškoje σ yra Stefano konstanta, o jos vertė yra 5,67 x 10-8 W / m ² K ⁴ . A yra kūno paviršiaus plotas, o ε yra medžiagos spinduliuotė, be matmens konstanta, kurios vertė yra nuo 0 iki 1 ir priklauso nuo medžiagos.

Pratimas išspręstas

Apsvarstykite juostą 2 paveiksle. Tarkime, kad strypas yra 5 cm ilgio, 1 cm spindulio ir pagamintas iš vario.

Strypas dedamas tarp dviejų sienų, palaikančių pastovią temperatūrą. Pirmos sienos temperatūra T1 = 100ºC, o kitos - T2 = 20ºC. Nustatyti:

a.- šiluminės srovės vertė H

b.- Vario strypo temperatūra 2 cm, 3 cm ir 4 cm nuo sienos T1 temperatūros.

Sprendimas

Kadangi vario strypas yra tarp dviejų sienų, kurių sienos visą laiką palaiko tą pačią temperatūrą, galima sakyti, kad ji yra pastovi. Kitaip tariant, šiluminė srovė H turi tą pačią vertę bet kurią akimirką.

Norėdami apskaičiuoti šią srovę, naudojame formulę, kuri susieja srovę H su temperatūrų skirtumu ir juostos ilgiu.

Skerspjūvio plotas yra:

A = πR ² = 3,14 * (1 × 10 ^–2 m) ² = 3,14 x 10 ^–4 m ²

Temperatūros skirtumas tarp strypo galų yra

ΔT = (100ºC - 20ºC) = (373K - 293K) = 80K

Δx = 5 cm = 5 x 10 ^-2 m

H = 385 W / (m K) * 3,14 x 10 ^-4 m ² * (80 K / 5 x 10 ^-2 m) = 193,4 W

Ši srovė yra vienoda bet kuriame baro taške ir bet kurią akimirką, nes pasiekta pastovioji būsena.

B sprendimas

Šioje dalyje mūsų prašoma apskaičiuoti temperatūrą Tp taške P, esančiame atstumu Xp nuo sienos T ₁ .

Išraiška, kuri taško P suteikia kalorijų srovę H, yra:

Pagal šią išraišką Tp galima apskaičiuoti:

Apskaičiuokime temperatūrą Tp atitinkamai 2 cm, 3 cm ir 4 cm padėtyse, pakeisdami skaitines reikšmes:

• Tp = 340,6K = 67,6 ° C; 2 cm atstumu nuo T1
• Tp = 324,4K = 51,4 ° C; 3 cm atstumu nuo T1
• Tp = 308,2K = 35,2 ° C; 4 cm atstumu nuo T1

Nuorodos

1. Figueroa, D. 2005. Serija: Fizika mokslams ir inžinerijai. 5 tomas. Skysčiai ir termodinamika. Redagavo Douglas Figueroa (USB).
2. Kirkpatrick, L. 2007. Fizika: žvilgsnis į pasaulį. 6-as sutrumpintas leidimas. „Cengage“ mokymasis.
3. Lay, J. 2004. Bendroji fizikų inžinieriai. USACH.
4. Mott, R. 2006. Skysčių mechanika. 4-asis. Leidimas. „Pearson Education“.
5. Strangeways, I. 2003. Natūralios aplinkos matavimas. 2-asis. Leidimas. Cambridge University Press.
6. Vikipedija. Šilumos laidumas. Atkurta iš: es.wikipedia.com