Czym jest przenikanie ciepła? Wymiana ciepła w przyrodzie i technologii

Porozmawiajmy o tym, czym jest transfer ciepła. Przez ten termin rozumiemy proces przekazywania energii w materii. Charakteryzuje się złożonym mechanizmem, opisanym równaniem przewodności cieplnej.

Rodzaje transferu ciepła

Jak podzielony jest transfer ciepła? Przewodność cieplna, konwekcja, promieniowanie to trzy tryby przekazywania energii, które istnieją w przyrodzie.

Każda z nich ma swoje własne charakterystyczne cechy, cechy, zastosowania w technologii.

Przewodność cieplna

Przez ilość ciepła rozumiemy sumęenergia kinetyczna cząsteczek. Mogą przenosić część swojego ciepła na zimne cząstki w kolizji. Przewodność cieplna jest maksymalna objawia się w ciałach stałych, mniej charakterystyczne dla cieczy, absolutnie nietypowe dla substancji gazowych.

Jako przykład, potwierdzając zdolność ciał stałych do przekazywania ciepła z jednego miejsca do drugiego, rozważ następujący eksperyment.

Jeśli drut stalowy jest zamocowanymetalowe guziki, a następnie przyłóż koniec drutu do płonącej lampy spirytusowej, stopniowo przyciski z niej zaczynają odpadać. Po podgrzaniu cząsteczki zaczynają poruszać się z większą szybkością, często zderzając się ze sobą. To właśnie te cząstki oddają swoją energię i ciepło do chłodniejszych regionów. Jeżeli ciecz i gaz nie zapewniają wystarczająco szybkiego odpływu ciepła, prowadzi to do gwałtownego wzrostu gradientu temperatury w gorącym obszarze.

Promieniowanie cieplne

Odpowiadając na pytanie o rodzaj wymiany ciepławraz z transferem energii, należy odnotować tę metodę. Transfer promieniowania obejmuje transmisję energii przez promieniowanie elektromagnetyczne. Ten wariant obserwuje się w temperaturze 4000 K, opisanej równaniem przewodności cieplnej. Współczynnik absorpcji zależy od składu chemicznego, temperatury i gęstości określonego gazu.

Przenikanie ciepła z powietrza ma pewien limit,Wraz ze wzrostem strumienia energii wzrasta gradient temperatury, wzrasta współczynnik absorpcji. Gdy wartość gradientu temperatury przekroczy gradient adiabatyczny, nastąpi konwekcja.

Czym jest przenikanie ciepła? Jest to fizyczny proces przekazywania energii z gorącego przedmiotu na zimny przedmiot przez bezpośredni kontakt lub przez przegrodę, która oddziela materiały.

Jeśli ciała jednego układu mają różne temperatury, wtedy proces transferu energii odbywa się, dopóki nie ustabilizuje się równowaga termodynamiczna między nimi.

Funkcje przenoszenia ciepła

Czym jest przenikanie ciepła? Jakie są cechy tego zjawiska? Nie można go całkowicie zatrzymać, czy możemy tylko zmniejszyć jego przepływ? Czy transfer ciepła jest wykorzystywany w przyrodzie i technologii? Jest to wymiana ciepła, która towarzyszy i charakteryzuje wiele zjawisk naturalnych: ewolucję planet i gwiazd, procesy meteorologiczne na powierzchni naszej planety. Na przykład, wraz z wymianą masy, proces wymiany ciepła pozwala na analizę chłodzenia, suszenia, dyfuzji parowania. Przeprowadza się go między dwoma nośnikami energii cieplnej poprzez stałą ścianę działającą jako interfejs ciał.

Przenikanie ciepła w przyrodzie i technologii jest sposobem scharakteryzowania stanu indywidualnego ciała, analizując właściwości układu termodynamicznego.

Prawo Fouriera

Nazywa się to prawem przewodzenia ciepła, ponieważdotyczy całkowitej mocy strat ciepła, różnicy temperatur z powierzchnią równoległościanu, jego długości, a także współczynnika przewodności cieplnej. Na przykład dla próżni wskaźnik ten wynosi praktycznie zero. Powodem tego zjawiska jest minimalne stężenie cząstek materiału w próżni, która może przenosić ciepło. Pomimo podobnej cechy, w próżni istnieje wariant przekazywania energii przez promieniowanie. Zastosowanie wymiany ciepła będzie rozpatrywane na podstawie termosu. Ściany są podwójne, aby zwiększyć proces refleksji. Pomiędzy nimi wypompowano powietrze, jednocześnie zmniejszając straty ciepła.

Konwekcja

Odpowiadając na pytanie o to, czym jest przenikanie ciepła,Rozważmy proces wymiany ciepła w cieczach lub gazach poprzez spontaniczne lub wymuszone mieszanie. W przypadku konwekcji wymuszonej ruch substancji jest spowodowany działaniem sił zewnętrznych: łopatek wentylatora, pompy. Podobną opcję stosuje się w sytuacjach, w których konwekcja naturalna nie jest skuteczna.

W tych przypadkach obserwuje się naturalny proces,gdy przy nierównomiernym ogrzewaniu dolne warstwy materii są ogrzewane. Ich gęstość maleje, podnoszą się. Z drugiej strony górne warstwy są chłodzone, cięższe, niżej. Proces ten powtarza się kilka razy, i obserwuje się, mieszając, w strukturze samoorganizacji wirów komórki konwekcyjnej tworzą regularne siatki.

Ze względu na konwekcję naturalną tworzą się chmury, wytrącanie opadów atmosferycznych, ruch płyt tektonicznych. To przez konwekcję na słońcu tworzą się granulki.

Właściwe wykorzystanie wymiany ciepła gwarantuje minimalne straty ciepła, maksymalne zużycie.

Esencja konwekcji

Aby wyjaśnić konwekcję, można posłużyć się prawemArchimedes, a także rozszerzalność cieplna ciał stałych i cieczy. Wraz ze wzrostem temperatury wzrasta objętość cieczy, gęstość maleje. Pod wpływem siły Archimedesa, lżejsza (podgrzewana) ciecz ma skłonność do góry, a zimne (gęste) warstwy spadają, stopniowo się rozgrzewając.

W przypadku podgrzewania cieczy z góry ciepła cieczpozostaje w pozycji wyjściowej, więc konwekcja nie jest przestrzegana. W ten sposób płynie płyn, któremu towarzyszy przesył energii z ogrzewanych obszarów do zimnych miejsc. W gazach konwekcja zachodzi podobnym mechanizmem.

Z termodynamicznego punktu widzenia konwekcjasą uważane za odmianę wymiany ciepła, w której transfer energii wewnętrznej odbywa się przez oddzielne strumienie substancji ogrzewanych nierównomiernie. Podobne zjawisko występuje w przyrodzie iw życiu codziennym. Na przykład grzejniki instaluje się na minimalnej wysokości od podłogi, blisko parapetu.

Zimne powietrze jest następnie podgrzewane przez akumulatorstopniowo podnosi się, gdzie miesza się z zimnymi masami powietrza, które są opuszczane z okna. Konwekcja prowadzi do ustalenia jednolitej temperatury w pomieszczeniu.

Wśród typowych przykładów atmosferycznychwiatry konwekcyjne: monsuny, bryzy. Powietrze, które ogrzewa niektóre fragmenty Ziemi, chłodzi innych, w wyniku czego następuje cyrkulacja, a wilgoć i energia są przenoszone.

Cechy konwekcji naturalnej

Wpływa na to kilka czynników naraz. Na przykład codzienny ruch Ziemi, prądy morskie i relief powierzchniowy wpływają na szybkość konwekcji naturalnej. Konwekcja jest podstawą wyjścia z kraterów wulkanu i rur dymu, formowania się gór, unoszenia się różnych ptaków.

Podsumowując

Promieniowanie cieplne jest elektromagnetyczneproces z ciągłym widmem, emitowanym przez materię, powstaje z energii wewnętrznej. W celu przeprowadzenia obliczeń promieniowania cieplnego w fizyce stosuje się model ciała czarnego. Promieniowanie cieplne opisano za pomocą prawa Stefana-Boltzmanna. Moc promieniowania takiego ciała jest wprost proporcjonalna do powierzchni i temperatury ciała pobieranej do czwartej mocy.

Przewodność cieplna jest możliwa w każdym ciele, któremają niejednorodny rozkład temperatury. Istotą tego zjawiska jest zmiana energii kinetycznej cząsteczek i atomów, która determinuje temperaturę ciała. W niektórych przypadkach przewodzenie ciepła jest uważane za zdolność ilościową pewnej substancji do przewodzenia ciepła.

Skalowanie procesów wymiany energii cieplnej nie ogranicza się do ogrzewania powierzchni Ziemi przez promieniowanie słoneczne.

Poważne prądy konwekcyjne w ziemskiej atmosferzecharakteryzują się zmianami na całej planecie warunków pogodowych. Kiedy temperatura spada w atmosferze pomiędzy biegunem i rejonami równikowymi, powstają prądy konwekcyjne: prądy strumieniowe, wiatry, zimne i ciepłe fronty.

Przeniesienie ciepła z rdzenia Ziemi na powierzchniępowoduje erupcje wulkanów, pojawienie się gejzerów. W wielu regionach energia geotermalna wykorzystywana jest do wytwarzania energii elektrycznej, do ogrzewania budynków mieszkalnych i przemysłowych.

To ciepło staje się obowiązkowym uczestnikiemwiele technologii produkcyjnych. Na przykład przetwarzanie i wytapianie metali, produkcja żywności, rafinacja ropy naftowej, praca silnika - wszystko to odbywa się tylko w obecności energii cieplnej.