Transfer de căldură prin conducție (cu exemple)

transferul de căldură prin conducție Acesta constă în trecerea sau fluxul de energie între două corpuri la temperaturi diferite, atunci când acestea intră în contact. Căldura curge de la corpul mai cald la cel mai rece, până când ambele sunt la aceeași temperatură. Se spune apoi că sistemul a atins echilibrul termic.

Este un mecanism frecvent de transfer de căldură în solide, deși apare și în interiorul stelelor, care sunt în mod normal gazoase. Cu toate acestea, nucleele stelelor care sunt avansate în evoluția lor sunt suficient de dense pentru ca acest mecanism să fie semnificativ..

Indice articol

• 1 Mecanismul conducerii căldurii
  • 1.1 Viteza conducției termice
• 2 Exemple de transfer de căldură prin conducție
  • 2.1 Ustensile de bucătărie
  • 2.2 Metal și lemn
  • 2.3 Pături și huse
  • 2.4 Izolatori pentru case
  • 2.5 Pompe de căldură
  • 2.6 Expansiunea termică în metale
  • 2.7 Containere din material izolant
• 3 Exercițiul a fost rezolvat
  • 3.1 Soluție

Mecanismul conducerii căldurii

Transferul de căldură prin conducție are loc prin schimbul de energie între molecule, atomi și electroni. În timp ce are loc schimbul, particulele mai energetice renunță la o parte din energie a celor mai puțin energetice prin coliziunile care au loc între ele..

De exemplu, într-o cratiță care urmează să fie pusă pe foc, toate particulele materialului oscilează cu o anumită amplitudine. Flacăra îi încălzește pe cei mai apropiați de ea și încep să vibreze mai repede, crescându-și amplitudinea oscilației și câștigând energie..

O parte din această energie este transmisă moleculelor vecine, care, la rândul lor, își măresc amplitudinea oscilației și, de asemenea, dobândesc energie progresiv. Și din aceste particule, o parte din energie se propagă către particulele cele mai îndepărtate de flacără.

Creșterile amplitudinii oscilației particulelor se traduc într-o creștere a temperaturii, care poate fi resimțită cu mâna, dacă vă apropiați suficient de mult de metalul cratiței, inclusiv mânerul sau mânerele, prin urmare sunt întotdeauna acoperite izolator, astfel încât să poată fi manipulate fără arsuri.

Cu toate acestea, viteza procesului de conducere depinde de material, deoarece unele substanțe se comportă mult mai bine decât altele..

În acest sens, metalele sunt cu siguranță conductori excelenți ai căldurii și electricității. Sunt mai buni decât lemnul și materialele plastice, deoarece atomii lor au cel puțin un electron liber în învelișul exterior, care se poate deplasa prin material și transporta energie cu ei..

Dar, în mod surprinzător, diamantul este cel mai bun conductor termic de acolo, deși datorită prețului său, nu există altă alternativă decât să se mulțumească cu metalele atunci când vine vorba de aplicații practice..

Noi cercetări indică faptul că un compus din bor și arsenic este posibil la fel de bun ca diamantul la disiparea eficientă a căldurii.

Viteza de conducere termică

Pentru a afla cât de repede se propagă căldura prin conducție, luați în considerare o foaie de material cu lățimea L și zona laterală A. Fața stângă este în contact cu o sursă de căldură (în roșu) la temperatura T_h, în timp ce cealaltă față este adiacentă unui obiect mai rece, de temperatură T_c.

Căldura Q curge între fețe, de la cea mai fierbinte la cea mai rece parte, în timp Δt. Experimental se constată că rata de schimbare sau viteza cu care curge căldura între fețe este proporțională cu:

-Zona A a fețelor.

-Diferența de temperatură ΔT între ele.

Și este, de asemenea, invers proporțional cu grosimea L a plăcii. Matematic se exprimă astfel:

Constanta de proporționalitate se numește conductivitate termică k, Prin urmare:

Conductivitatea termică este o caracteristică a materialului. În ceea ce privește unitățile prezente, în sistemul internațional Q se măsoară în jouli (J), Δt în secunde (s), prin urmare Q / remainst rămâne în J / s, care este echivalent cu wați (W). În acest caz, unitățile de conductivitate termică sunt W / m ∙ ºC, dacă temperatura este măsurată în grade Celsius sau W / m ∙ K atunci când se utilizează scara absolută în kelvin.

Conductorii termici buni au valori ridicate de k, evidențierea metalelor și diamantului.

Deoarece Q / Δt este putere, dacă este notată cu P avem:

Conductivitățile termice ale unor materiale

Mai jos este conductivitatea termică a unor substanțe cunoscute de utilizare frecventă, în unități ale sistemului internațional SI W / m ∙ K:

-Diamant sintetic: 2000
-Argint: 429
-Aur: 317
-Cupru: 385
-Zinc: 116
-Tungsten: 174
-Aer: 0,024

Exemple de transfer de căldură prin conducție

Transferul de căldură prin conducție este prezent în multe aspecte ale vieții de zi cu zi:

Ustensile de bucatarie

Ghivecele, tigăile și, în general, ustensilele de bucătărie din metal precum oțelul, au mânere din material izolator. Acest lucru reduce riscul de arsuri la manipularea lor în timp ce acestea sunt în contact cu flacăra sau conținutul este fierbinte..

Metal și lemn

Când țineți o bucată de lemn într-o mână și o bucată de metal în cealaltă, se observă imediat că este mai rece la atingere. Metalele, așa cum s-a explicat mai sus, sunt buni conductori ai căldurii, astfel că căldura curge mai repede din mână în metal decât din mână în lemn..

În acest fel, contactul cu metalul răcește mâna celui care îl ține mai repede și, prin urmare, se simte mai rece decât lemnul, ceea ce nu este la fel de bun conductor..

Pături și huse

Huse noi se simt mai calde decât huse uzate și asta pentru că cele noi au mai mult aer în interiorul fibrelor și porilor. Cu cât este mai mult aer în interior, cu atât funcționează mai bine un capac, deoarece aerul este un izolator termic foarte bun.

Izolatori pentru case

În multe părți ale lumii, unde este foarte frig iarna, casele sunt protejate cu materiale termoizolante, astfel încât interiorul să rămână mai confortabil.

De exemplu, există fibră de sticlă, care conține spații cu aer în interior, care funcționează ca un izolator termic, împiedicând scăparea căldurii..

Pompe de căldură

Pompele de căldură extrag căldura din utilaje prin conducerea căldurii prin conducte metalice, de la piese supraîncălzite la zone mai reci.

Expansiunea termică în metale

Când un obiect metalic este încălzit, particulele constitutive oscilează cu o amplitudine mai mare și consecința este că dimensiunile obiectului sunt crescute.

Recipiente pentru materiale izolante

Recipientele destinate menținerii alimentelor în stare bună mai mult timp sunt fabricate din material izolant, astfel încât căldura din exterior să nu descompună alimentele.

Exercițiul a fost rezolvat

Secțiunea transversală a unui bloc de cupru are o suprafață de 20 cm^Două și lungimea de 50 cm. O parte este la 0 ° C și cealaltă la 100 ° C. Calculați rata la care se transmite căldura.

Soluţie

Ecuația derivată anterior va fi utilizată:

Din lista conductivităților, cea a cuprului este k = 400 W / m ∙ K și, deși temperaturile date în enunț sunt în grade Celsius, intervalul ΔT este același la ambele scale:

ΔT = 100 K

Lungimea este L = 50cm = 0,5m iar aria este A = 20cm^Două = 0,002 m^Două, Rămâne să înlocuim valorile din ecuație:

1. Giambattista, A. 2010. Fizică. Al 2-lea. Ed. McGraw Hill.
2. Giancoli, D. 2006. Fizică: principii cu aplicații. Al 6-lea. Ed prentice hall.
3. Hewitt, Paul. 2012. Științe fizice conceptuale. Al 5-lea. Ed. Pearson.
4. Sears, Zemansky. 2016. Fizică universitară cu fizică modernă. 14. Ed. Volumul 1. Pearson.
5. Serway, R., Jewett, J. 2008. Fizica pentru știință și inginerie. Volumul 1. 7. Ed. Cengage Learning.
6. Tippens, P. 2011. Fizică: concepte și aplicații. Ediția a VII-a. Dealul Mcgraw.