Vrste prijenosa topline: koeficijent prijenosa topline

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Zadnja promjena: 2023-12-17 10:29

Svako materijalno tijelo ima takvu karakteristiku kao što je toplina, koja se može povećavati i smanjivati. Toplina nije materijalna tvar: kao dio unutarnje energije tvari nastaje kao rezultat kretanja i međudjelovanja molekula. Budući da se toplina različitih tvari može razlikovati, dolazi do procesa prijenosa topline s toplije tvari na tvar s manje topline. Taj se proces naziva prijenos topline. U ovom članku razmotrit ćemo glavne vrste prijenosa topline i mehanizme njihovog djelovanja.

Određivanje prijenosa topline

Prijenos topline, ili proces prijenosa temperature, može se dogoditi i unutar materije i s jedne tvari na drugu. Istodobno, intenzitet prijenosa topline uvelike ovisi o fizikalnim svojstvima tvari, temperaturi tvari (ako više tvari sudjeluje u prijenosu topline) i zakonima fizike. Prijenos topline je proces koji se uvijek odvija jednostrano. Glavni princip prijenosa topline je da najtoplije tijelo uvijek odaje toplinu objektu s nižom temperaturom. Na primjer, kada peglate odjeću, vruće glačalodaje toplinu hlačama, a ne obrnuto. Prijenos topline vremenski je ovisan fenomen koji karakterizira nepovratnu distribuciju topline u prostoru.

Mehanizmi prijenosa topline

Mehanizmi toplinske interakcije tvari mogu imati različite oblike. U prirodi postoje tri vrste prijenosa topline:

1. Termička vodljivost je mehanizam međumolekularnog prijenosa topline s jednog dijela tijela na drugi ili na drugi predmet. Svojstvo se temelji na nehomogenosti temperature u tvarima koje se razmatraju.
2. Konvekcija - izmjena topline između tekućih medija (tekućina, zrak).
3. Djelovanje zračenja je prijenos topline sa zagrijanih i zagrijanih tijela (izvora) zbog njihove energije u obliku elektromagnetskih valova s konstantnim spektrom.

Razmotrimo detaljnije navedene vrste prijenosa topline.

Toplinska vodljivost

Najčešće se toplinska vodljivost opaža u čvrstim tvarima. Ako se pod utjecajem bilo kojeg čimbenika u istoj tvari pojave područja s različitim temperaturama, tada će toplinska energija iz toplijeg područja prijeći na hladno. U nekim slučajevima ovaj se fenomen može čak i vizualno promatrati. Na primjer, ako uzmemo metalnu šipku, recimo iglu, i zagrijemo je na vatri, tada ćemo nakon nekog vremena vidjeti kako se toplinska energija prenosi kroz iglu, stvarajući sjaj na određenom području. U isto vrijeme, na mjestu gdje je temperatura viša, sjaj je svjetliji i, obrnuto, gdje je t niži, tamniji je. Provođenje topline također se može promatrati između dva tijela (šalica vrućeg čaja i ruke)

Intenzitet prijenosa toplinskog toka ovisi o mnogim čimbenicima, čiji je omjer otkrio francuski matematičar Fourier. Ti čimbenici prvenstveno uključuju temperaturni gradijent (omjer temperaturne razlike na krajevima štapa i udaljenosti od jednog kraja do drugog), površinu poprečnog presjeka tijela i koeficijent toplinske vodljivosti (različita je za sve tvari, ali je najveća u metalima). Najznačajniji koeficijent toplinske vodljivosti uočen je u bakru i aluminiju. Nije iznenađujuće da se ova dva metala češće koriste u proizvodnji električnih žica. Slijedeći Fourierov zakon, toplinski tok se može povećati ili smanjiti promjenom jednog od ovih parametara.

Konvekcijske vrste prijenosa topline

Konvekcija, koja je karakteristična uglavnom za plinove i tekućine, ima dvije komponente: međumolekularnu toplinsku vodljivost i kretanje (distribuciju) medija. Mehanizam djelovanja konvekcije javlja se na sljedeći način: s povećanjem temperature tekuće tvari, njezine se molekule počinju aktivnije kretati, a u nedostatku prostornih ograničenja, volumen tvari se povećava. Posljedica ovog procesa bit će smanjenje gustoće tvari i njezino kretanje prema gore. Upečatljiv primjer konvekcije je kretanje zraka zagrijanog radijatorom od baterije do stropa.

Razlikujte slobodni i prisilni konvektivni način prijenosa topline. Prijenos topline i kretanje mase u slobodnom tipu događa se zbog heterogenosti tvari, odnosno, vruća tekućina izdiže se iznad hladne prirodnenačin bez utjecaja vanjskih sila (npr. grijanje prostorije centralnim grijanjem). Kod prisilne konvekcije, kretanje mase događa se pod utjecajem vanjskih sila, na primjer miješanjem čaja žlicom.

prijenos topline zračenja

Prijenos topline zračenja ili zračenja može se dogoditi bez kontakta s drugim predmetom ili tvari, stoga je moguć čak iu prostoru bez zraka (vakuum). Radijativni prijenos topline svojstven je svim tijelima u većoj ili manjoj mjeri i očituje se u obliku elektromagnetskih valova s kontinuiranim spektrom. Najbolji primjer za to je sunce. Mehanizam djelovanja je sljedeći: tijelo kontinuirano zrači određenu količinu topline u prostor koji ga okružuje. Kada ta energija udari u drugi predmet ili tvar, dio se apsorbira, drugi dio prolazi, a treći dio se reflektira u okolinu. Svaki predmet može i zračiti toplinu i apsorbirati, dok tamne tvari mogu apsorbirati više topline od svijetlih.

Kombinirani mehanizmi prijenosa topline

U prirodi se vrste procesa prijenosa topline rijetko nalaze zasebno. Mnogo se češće mogu vidjeti zajedno. U termodinamici te kombinacije čak imaju nazive, na primjer, toplinska vodljivost + konvekcija je konvektivni prijenos topline, a toplinska vodljivost + toplinsko zračenje se naziva radijacijsko-vodljivi prijenos topline. Osim toga, postoje takve kombinirane vrste prijenosa topline kao što su:

• Odvođenje topline -kretanje toplinske energije između plina ili tekućine i čvrste tvari.
• Prijenos topline je prijenos t s jedne materije na drugu kroz mehaničku prepreku.
• Konvektivni prijenos topline nastaje kombiniranjem konvekcije i toplinskog zračenja.

Vrste prijenosa topline u prirodi (primjeri)

Prijenos topline u prirodi igra veliku ulogu i nije ograničen samo na zagrijavanje globusa sunčevim zrakama. Ekstenzivne konvekcijske struje, kao što je kretanje zračnih masa, uvelike određuju vrijeme na cijelom planetu.

Toplinska vodljivost Zemljine jezgre dovodi do pojave gejzira i erupcije vulkanskih stijena. Ovo je samo nekoliko primjera prijenosa topline na globalnoj razini. Zajedno tvore vrste konvektivnog prijenosa topline i radijacijsko-vodljive vrste prijenosa topline potrebne za održavanje života na našem planetu.

Upotreba prijenosa topline u antropološkim aktivnostima

Toplina je važna komponenta gotovo svih proizvodnih procesa. Teško je reći koju vrstu izmjene topline čovjek najviše koristi u nacionalnom gospodarstvu. Vjerojatno sve tri u isto vrijeme. Procesi prijenosa topline koriste se za taljenje metala, proizvodeći široku lepezu robe u rasponu od svakodnevnih predmeta do svemirskih letjelica.

Izuzetno važne za civilizaciju su toplinske jedinice sposobne pretvarati toplinsku energiju u korisnu snagu. Međumogu se nazvati benzinskim, dizelskim, kompresorskim, turbinskim jedinicama. Za svoj rad koriste različite vrste prijenosa topline.