Beszéljünk arról, hogy mi a hőátadás. Ez a kifejezés az anyag energiaátvitelének folyamatára utal. Egy összetett mechanizmus jellemzi, amelyet a hőegyenlet ír le.
A hőátadás különböző változatai
Hogyan osztályozható a hőátadás? A hővezetés, a konvekció, a sugárzás a természetben létező három energiaátviteli mód.
Mindegyiknek megvannak a saját jellegzetességei, jellemzői és alkalmazásai a technológiában.
Hővezetőképesség
A hőmennyiség alatt a molekulák kinetikus energiájának összegét értjük. Amikor összeütköznek, hőjük egy részét hideg részecskéknek képesek átadni. A hővezető képesség szilárd anyagokban maximálisan megnyilvánul, folyadékokra kevésbé jellemző, gáznemű anyagokra egyáltalán nem jellemző.
Példaként, amely megerősíti a szilárd anyagok hőátadó képességét egyik területről a másikra, vegye figyelembe a következő kísérletet.
Ha fémgombokat rögzít egy acélhuzalra, majd a vezeték végét egy égő szellemlámpához viszi, a gombok fokozatosan le fognak hullani róla. Melegítéskor a molekulák gyorsabban, gyakrabban kezdenek mozogniütköznek egymással. Ezek a részecskék adják energiájukat és hőjüket a hidegebb régióknak. Ha a folyadékok és gázok nem biztosítanak kellően gyors hőkiáramlást, ez a hőmérsékleti gradiens meredek növekedéséhez vezet a forró területen.
Hősugárzás
Arra a kérdésre válaszolva, hogy milyen típusú hőátadást kísér az energiaátadás, szükséges megjegyezni ezt a módszert. A sugárátvitel magában foglalja az energia elektromágneses sugárzás általi átvitelét. Ezt a változatot 4000 K hőmérsékleten figyeljük meg, és a hővezetési egyenlet írja le. Az abszorpciós együttható egy bizonyos gáz kémiai összetételétől, hőmérsékletétől és sűrűségétől függ.
A levegő hőátadásának van egy bizonyos határa, az energiaáramlás növekedésével nő a hőmérsékleti gradiens, nő az abszorpciós együttható. Miután a hőmérsékleti gradiens értéke meghaladja az adiabatikus gradienst, konvekció következik be.
Mi az a hőátadás? Ez az a fizikai folyamat, amelynek során az energiát a forró tárgyról a hidegre adják át közvetlen érintkezéssel vagy az anyagokat elválasztó válaszfalon keresztül.
Ha egyazon rendszer testeinek hőmérséklete eltérő, akkor az energiaátadás folyamata addig megy végbe, amíg termodinamikai egyensúly nem jön létre közöttük.
Hőátviteli funkciók
Mi az a hőátadás? Milyen jellemzői vannak ennek a jelenségnek? Teljesen megállítani nem lehet, csak igencsökkenti a sebességét? Használják a hőátadást a természetben és a technikában? Ez a hőátadás, amely számos természeti jelenséget kísér és jellemzi: a bolygók és csillagok evolúcióját, a bolygónk felszínén zajló meteorológiai folyamatokat. Például a tömegcserével együtt a hőátadás folyamata lehetővé teszi a párolgási hűtés, szárítás, diffúzió elemzését. A hőenergia két hordozója között egy szilárd falon keresztül történik, amely interfészként működik a testek között.
A hőátadás a természetben és a technológiában az egyes testek állapotának jellemzésének, a termodinamikai rendszer tulajdonságainak elemzésének egyik módja.
Fourier-törvény
Hővezetési törvénynek nevezik, mert összekapcsolja a hőveszteség teljes teljesítményét, a hőmérséklet-különbséget a paralelepipedon keresztmetszeti területével, hosszával, valamint a hővezetési együtthatóval. Például egy vákuum esetében ez a mutató majdnem nulla. Ennek a jelenségnek az oka az anyagrészecskék minimális koncentrációja a vákuumban, amely képes hőt szállítani. Ennek ellenére a vákuumban létezik egy változata a sugárzással történő energiaátvitelnek. Fontolja meg a hőátadás használatát termosz alapján. Falai duplán készültek a reflexiós folyamat fokozása érdekében. A levegő kiszivattyúzódik közöttük, miközben csökkenti a hőveszteséget.
Konvekció
A hőátadás kérdésére válaszolva vegye figyelembe a folyadékok hőátadási folyamatátvagy gázokban spontán vagy kényszerkeveréssel. Kényszerített konvekció esetén az anyagmozgást külső erők hatása idézi elő: ventilátorlapátok, szivattyú. Hasonló opciót használnak olyan helyzetekben, amikor a természetes konvekció nem hatékony.
Természetes folyamat figyelhető meg azokban az esetekben, amikor egyenetlen melegítés mellett az anyag alsó rétegei felmelegednek. Sűrűségük csökken, felemelkednek. A felső rétegek éppen ellenkezőleg, lehűlnek, nehezebbek lesznek és lesüllyednek. Továbbá a folyamat többször megismétlődik, és a keveredés során megfigyelhető az örvények szerkezetébe való önszerveződés, a konvekciós cellákból szabályos rács alakul ki.
A természetes konvekciónak köszönhetően felhők képződnek, csapadék hullik, és a tektonikus lemezek elmozdulnak. A Napon konvekcióval képződnek szemcsék.
A hőátadás megfelelő használata minimális hőveszteséget, maximális fogyasztást biztosít.
A konvekció lényege
A konvekció magyarázatához használhatja Archimedes törvényét, valamint a szilárd és folyadékok hőtágulását. A hőmérséklet emelkedésével a folyadék térfogata növekszik és a sűrűsége csökken. Az Arkhimédész-erő hatására a könnyebb (melegített) folyadék felfelé hajlik, és a hideg (sűrű) rétegek lehullanak, fokozatosan felmelegedve.
Ha a folyadékot felülről melegítjük, a meleg folyadék az eredeti helyén marad, így nem figyelhető meg konvekció. Így működik a ciklusfolyadék, amely a meleg területekről a hideg helyekre történő energiaátvitellel jár együtt. A gázokban a konvekció hasonló mechanizmus szerint megy végbe.
Termodinamikai szempontból a konvekciót a hőátadás egyik változatának tekintjük, amelyben a belső energia átadása az egyenetlenül melegített anyag külön-külön áramlásával történik. Hasonló jelenség fordul elő a természetben és a mindennapi életben is. Például a fűtőtestek a padlótól minimális magasságban, az ablakpárkány közelében vannak felszerelve.
A hideg levegőt az akkumulátor felmelegíti, majd fokozatosan felemelkedik, ahol keveredik az ablakon leszálló hideg légtömegekkel. A konvekció egyenletes hőmérsékletet eredményez a helyiségben.
A légköri konvekció gyakori példái közé tartozik a szél: monszun, szellő. A Föld egyes részein felmelegedő levegő lehűl mások fölött, ennek eredményeként kering, nedvesség és energia kerül átadásra.
A természetes konvekció jellemzői
Egyszerre több tényező is befolyásolja. Például a természetes konvekció sebességét befolyásolja a Föld napi mozgása, a tengeráramlatok és a felszín domborzata. A konvekció az alapja a vulkánkráterekből és füstcsövekből való kilépésnek, a hegyek kialakulásának, a különféle madarak szárnyalásának.
Befejezésül
A hősugárzás egy folytonos spektrumú elektromágneses folyamat, amelyet az anyag bocsát ki, belső energia hatására. A hősugárzás számításának elvégzéséhez inA fizika a feketetest modellt használja. Írja le a hősugárzást a Stefan-Boltzmann törvény segítségével! Egy ilyen test sugárzási ereje egyenesen arányos a test felületével és hőmérsékletével, a negyedik hatványra véve.
A hővezető képesség minden olyan testben lehetséges, amelynek hőmérséklet-eloszlása nem egyenletes. A jelenség lényege a molekulák és atomok mozgási energiájának változása, amely meghatározza a test hőmérsékletét. Egyes esetekben a hővezető képességet egy bizonyos anyag hővezető képességének tekintik.
A hőenergia-csere nagy léptékű folyamatai nem korlátozódnak a Föld felszínének napsugárzás általi felmelegedésére.
Az erős konvekciós áramokat a Föld légkörében az időjárási viszonyok változása jellemzi az egész bolygón. A poláris és az egyenlítői régiók közötti légkör hőmérséklet-különbségeivel konvekciós áramlások keletkeznek: sugáráramlások, passzátszelek, hideg és meleg frontok.
A hő átadása a föld magjából a felszínre vulkánkitöréseket, gejzírek megjelenését okozza. Sok régióban a geotermikus energiát villamosenergia-termelésre, lakó- és ipari helyiségek fűtésére használják.
A hő az, amely számos gyártási technológia kötelező szereplőjévé válik. Például fémek feldolgozása és olvasztása, élelmiszergyártás, olajfinomítás, motorok üzemeltetése – mindezt csak hőenergia jelenlétében hajtják végre.
