Exista transfer de căldură când energia trece de la un corp la altul din cauza diferenței de temperatură dintre cei doi. Procesul de transfer de căldură încetează de îndată ce temperaturile corpurilor în contact se egalizează sau când contactul dintre ele este eliminat..
Se numește cantitatea de energie transferată de la un corp la altul într-o anumită perioadă de timp căldură transferată. Un corp poate da căldură altuia sau îl poate absorbi, dar căldura merge întotdeauna de la corpul cu cea mai mare temperatură la cel cu cea mai scăzută temperatură..
Unitățile de căldură sunt aceleași cu cele ale energiei și în sistemul internațional de măsurători (SI) este joul (J). Alte unități de căldură utilizate frecvent sunt caloriile și BTU..
În ceea ce privește legile matematice care guvernează transferul de căldură, acestea depind de mecanismul implicat în schimb..
Când căldura este condusă de la un corp la altul, rata la care se schimbă căldura este proporțională cu diferențialul de temperatură. Acest lucru este cunoscut sub numele de Legea lui Fourier de conductivitate termică, care duce la Legea răcirii lui Newton.
Indice articol
Acestea sunt modalitățile prin care căldura poate fi schimbată între două corpuri. Sunt recunoscute trei mecanisme:
-Conducere
-Convecție
-Radiații
Într-o oală ca cea prezentată în figura de mai sus, există aceste trei mecanisme de transfer de căldură:
-Metalul din oală este încălzit în principal prin conducție.
-Apa și aerul se încălzesc și cresc prin convecție.
-Oamenii din apropierea oalei sunt încălziți de radiațiile emise.
Conducerea căldurii are loc mai ales în solide și în special în metale.
De exemplu, aragazul din bucătărie transmite căldură mâncării din interiorul oalei prin mecanismul de conducere prin metalul fundului și pereții metalici ai recipientului. În conducția termică nu există transport material, ci doar energie.
Mecanismul de convecție este tipic lichidelor și gazelor. Acestea sunt aproape întotdeauna mai puțin dense la temperaturi mai ridicate, din acest motiv există un transport ascendent de căldură din porțiunile de fluid mai fierbinți către regiunile superioare cu porțiuni de fluid mai reci. În mecanismul de convecție există transport material.
La rândul său, mecanismul de radiație permite schimbul de căldură între două corpuri chiar și atunci când acestea nu sunt în contact. Exemplul imediat este Soarele, care încălzește Pământul prin spațiul gol dintre cele două..
Toate corpurile emit și absorb radiațiile electromagnetice. Dacă aveți două corpuri la temperaturi diferite, chiar și în vid, după un timp vor atinge aceeași temperatură datorită schimbului de căldură prin radiații electromagnetice.
În sistemele termodinamice în echilibru, cantitatea totală de căldură schimbată cu mediul contează, astfel încât sistemul trece de la o stare de echilibru la alta.
Pe de altă parte, în transferul de căldură, interesul se concentrează asupra fenomenului tranzitoriu, când sistemele nu au atins încă echilibrul termic. Este important să rețineți că cantitatea de căldură este schimbată într-o anumită perioadă de timp, adică există o viteză de transfer de căldură.
În conductivitatea termică, energia termică este transmisă prin coliziuni între atomii și moleculele materialului, indiferent dacă acesta este solid, lichid sau gazos..
Solidele sunt mai bune conductoare de căldură decât gazele și lichidele. În metale există electroni liberi care se pot deplasa prin metal.
Deoarece electronii liberi au o mare mobilitate, sunt capabili să transmită energia cinetică prin coliziuni mai eficient, de aceea metalele au o conductivitate termică ridicată..
Din punct de vedere macroscopic, conductivitatea termică este măsurată ca cantitate de căldură transferată pe unitate de timp sau curent caloric H:
Curent caloric H este proporțional cu secțiunea transversală a ariei LA și variația temperaturii pe unitate de distanță longitudinală.
Această ecuație este aplicată pentru a calcula curentul caloric H a unei bare ca cea din figura 2, care se află între două rezervoare de temperatură T1 Da TDouă respectiv, fiind T1> TDouă.
Mai jos este o listă a conductivității termice a unor materiale în wați pe metru pe kelvin: W / (m. K)
Aluminiu -205
Cupru -385
Argintiu - 400
Oțel -50
Plută sau fibră de sticlă- 0,04
Beton sau sticlă -0,8
Lemn- 0,05 până la 0,015
Aer - 0,024
În convecția de căldură, energia este transferată datorită mișcării fluidului, care, la temperaturi diferite, are densități diferite. De exemplu, atunci când apa este fiartă într-o oală, apa de lângă fund își mărește temperatura, astfel încât se extinde.
Această expansiune face ca apa fierbinte să crească, în timp ce cea rece coboară pentru a ocupa spațiul lăsat de apa fierbinte care a crescut. Rezultatul este o mișcare de circulație care continuă până la egalizarea temperaturilor de la toate nivelurile..
Convecția este cea care determină mișcarea maselor mari de aer în atmosfera Pământului și, de asemenea, determină circulația curenților marini..
În mecanismele de transmitere a căldurii prin conducție și prin convecție, prezența unui material este necesară pentru transmiterea căldurii. Pe de altă parte, în mecanismul de radiație, căldura poate trece de la un corp la altul printr-un vid..
Acesta este mecanismul prin care Soarele, la o temperatură mai mare decât Pământul, transmite energia către planeta noastră direct prin vidul spațiului. Radiațiile ajung la noi prin unde electromagnetice.
Toate materialele sunt capabile să emită și să absoarbă radiații electromagnetice. Maximul frecvenței emise sau absorbite depinde de temperatura materialului și această frecvență crește odată cu temperatura..
Lungimea de undă predominantă în spectrul de emisie sau absorbție al unui corp negru urmează Legea din Viena, care afirmă că lungimea de undă predominantă este proporțională cu inversul temperaturii corpului.
Pe de altă parte, puterea (în wați) cu care un corp emite sau absoarbe energia termică prin radiații electromagnetice este proporțională cu a patra putere a temperaturii absolute. Acest lucru este cunoscut sub numele de legea lui stefan:
P = εAσT4
În expresia de mai sus σ este constanta lui Stefan si valoarea sa este de 5,67 x 10-8 W / mDouă K4. LA este suprafața corpului și ε este emisivitatea materialului, o constantă adimensională a cărei valoare este între 0 și 1 și depinde de material.
Luați în considerare bara din Figura 2. Să presupunem că bara are o lungime de 5 cm, o rază de 1 cm și este realizată din cupru..
Bara este plasată între doi pereți care își mențin temperatura constantă. Primul perete are temperatura T1 = 100ºC, în timp ce celălalt este la T2 = 20ºC. A determina:
a.- Valoarea curentului termic H
b.- Temperatura barei de cupru la 2 cm, la 3 cm și la 4 cm de peretele de temperatură T1.
Deoarece bara de cupru este plasată între doi pereți ai căror pereți mențin aceeași temperatură în orice moment, se poate spune că este într-o stare stabilă. Adică curentul termic H are aceeași valoare pentru orice moment.
Pentru a calcula acest curent aplicăm formula care corelează curentul H cu diferența de temperaturi și lungimea barei.
Zona secțiunii transversale este:
A = πRDouă = 3,14 * (1 × 10-Douăm)Două = 3,14 x 10-4 mDouă
Diferența de temperatură între capetele barei este
ΔT = (100ºC - 20ºC) = (373K - 293K) = 80K
Δx = 5 cm = 5 x 10-Două m
H = 385 W / (m K) * 3,14 x 10-4 mDouă * (80K / 5 x 10-Două m) = 193,4 W
Acest curent este același în orice punct al barei și în orice moment, deoarece starea de echilibru a fost atinsă..
În această parte ni se cere să calculăm temperatura Tp la un moment dat P situat la distanță Xp relativ la perete T1.
Expresia care dă curentul caloric H la subiect P este:
H = k A (T1 -Tp) / (Xp)
Din această expresie se poate calcula Tp prin:
Tp = T1 - (H Xp) / (k A) = 373 K - (193,4 W / (385 W / (m K) 3,14 x 10-4 mDouă)) * Xp
Tp = 373 K - 1620,4 (K / m) * Xp
Să calculăm temperatura Tp în pozițiile de 2 cm, 3 cm și respectiv 4 cm, înlocuind valorile numerice:
Nimeni nu a comentat acest articol încă.