Vrste prenosa toplote: koeficijent prolaza toplote

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Zadnja izmjena: 2023-12-17 10:20

Svako materijalno tijelo ima takvu karakteristiku kao što je toplina, koja se može povećavati i smanjivati. Toplina nije materijalna supstanca: kao dio unutrašnje energije tvari, nastaje kao rezultat kretanja i interakcije molekula. Budući da se toplina različitih tvari može razlikovati, postoji proces prijenosa topline sa toplije tvari na tvar s manje topline. Ovaj proces se naziva prijenos topline. U ovom članku ćemo razmotriti glavne vrste prijenosa topline i mehanizme njihovog djelovanja.

Određivanje prijenosa topline

Prenos toplote, ili proces prenosa temperature, može se desiti i unutar materije i sa jedne supstance na drugu. Istovremeno, intenzitet prijenosa topline u velikoj mjeri ovisi o fizičkim svojstvima materije, temperaturi tvari (ako više tvari učestvuje u prijenosu topline) i zakonima fizike. Prijenos topline je proces koji se uvijek odvija jednostrano. Glavni princip prenosa toplote je da najtoplije telo uvek odaje toplotu objektu sa nižom temperaturom. Na primjer, kada peglate odjeću, vruća pegladaje toplinu pantalonama, a ne obrnuto. Prijenos topline je vremenski ovisan fenomen koji karakterizira nepovratnu distribuciju topline u prostoru.

Mehanizmi za prijenos topline

Mehanizmi termičke interakcije supstanci mogu imati različite oblike. U prirodi postoje tri vrste prenosa toplote:

1. Toplotna provodljivost je mehanizam intermolekularnog prijenosa topline s jednog dijela tijela na drugi ili na drugi predmet. Svojstvo se zasniva na nehomogenosti temperature u supstancama koje se razmatraju.
2. Konvekcija - izmjena toplote između fluidnih medija (tečnost, vazduh).
3. Akcija zračenja je prijenos topline sa zagrijanih i zagrijanih tijela (izvora) zbog njihove energije u obliku elektromagnetnih valova sa konstantnim spektrom.

Razmotrimo detaljnije navedene vrste prijenosa topline.

Toplotna provodljivost

Najčešće se toplotna provodljivost opaža u čvrstim materijama. Ako se pod utjecajem bilo kojeg faktora u istoj tvari pojave područja s različitim temperaturama, tada će toplinska energija iz toplijeg područja preći u hladnu. U nekim slučajevima se ovaj fenomen može čak i vizualno uočiti. Na primjer, ako uzmemo metalnu šipku, recimo iglu, i zagrijemo je na vatri, onda ćemo nakon nekog vremena vidjeti kako se toplinska energija prenosi kroz iglu, formirajući sjaj u određenom području. Istovremeno, na mjestu gdje je temperatura viša, sjaj je svjetliji i, obrnuto, gdje je t niži, tamniji je. Provodljivost toplote se takođe može posmatrati između dva tela (šolja toplog čaja i ruke)

Intenzitet prenosa toplotnog fluksa zavisi od mnogih faktora, čiji je odnos otkrio francuski matematičar Fourier. Ovi faktori prvenstveno uključuju temperaturni gradijent (omjer temperaturne razlike na krajevima štapa i udaljenosti od jednog kraja do drugog), površinu poprečnog presjeka tijela i koeficijent toplinske provodljivosti (različita je za sve supstance, ali je najveća u metalima). Najznačajniji koeficijent toplotne provodljivosti uočen je u bakru i aluminijumu. Nije iznenađujuće da se ova dva metala češće koriste u proizvodnji električnih žica. Slijedeći Fourierov zakon, toplotni tok se može povećati ili smanjiti promjenom jednog od ovih parametara.

Konvekcijske vrste prijenosa topline

Konvekcija, koja je karakteristična uglavnom za gasove i tečnosti, ima dve komponente: međumolekularnu toplotnu provodljivost i kretanje (distribuciju) medija. Mehanizam djelovanja konvekcije odvija se na sljedeći način: s povećanjem temperature tekuće tvari, njezini molekuli počinju se aktivnije kretati, a u nedostatku prostornih ograničenja, volumen tvari se povećava. Posljedica ovog procesa bit će smanjenje gustine tvari i njeno kretanje prema gore. Upečatljiv primjer konvekcije je kretanje zraka zagrijanog radijatorom od baterije do stropa.

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

Prenos toplote zračenja

Prenos toplote zračenja ili radijacije može se desiti bez kontakta sa drugim predmetom ili supstancom, stoga je moguć čak iu prostoru bez vazduha (vakuum). Radijativni prijenos topline svojstven je svim tijelima u većoj ili manjoj mjeri i manifestira se u obliku elektromagnetnih 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 supstancu, dio se apsorbira, drugi dio prolazi, a treći dio se reflektuje u okolinu. Bilo koji predmet može i zračiti toplinu i apsorbirati, dok tamne tvari mogu apsorbirati više topline od svijetlih.

Kombinovani mehanizmi prenosa toplote

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

• Disipacija topline -kretanje toplotne energije između gasa ili tečnosti i čvrste supstance.
• Prenos toplote je prenos t sa jedne materije na drugu kroz mehaničku prepreku.
• Prenos toplote konvektivnim zračenjem nastaje kombinovanjem konvekcije i toplotnog zračenja.

Vrste prenosa toplote u prirodi (primeri)

Prenos toplote u prirodi igra ogromnu ulogu i nije ograničen na zagrevanje globusa sunčevim zracima. Ekstenzivne konvekcijske struje, kao što je kretanje vazdušnih masa, u velikoj meri određuju vremenske prilike širom naše planete.

Toplotna provodljivost Zemljinog jezgra dovodi do pojave gejzira i erupcije vulkanskih stijena. Ovo je samo nekoliko primjera prijenosa topline na globalnoj razini. Zajedno, oni formiraju tipove konvektivnog prijenosa topline i radijacijsko-konduktivnog prijenosa topline neophodne za održavanje života na našoj planeti.

Upotreba prijenosa topline u antropološkim aktivnostima

Toplota je važna komponenta gotovo svih proizvodnih procesa. Teško je reći koju vrstu razmjene topline čovjek najviše koristi u nacionalnoj ekonomiji. Vjerovatno sve tri u isto vrijeme. Procesi prijenosa topline se koriste za topljenje metala, proizvodeći široku lepezu robe u rasponu od svakodnevnih predmeta do svemirskih letjelica.

Izuzetno važne za civilizaciju su termalne jedinice sposobne da toplotnu energiju pretvaraju u korisnu energiju. Međumogu se nazvati benzinskim, dizelskim, kompresorskim, turbinskim jedinicama. Za svoj rad koriste različite vrste prenosa toplote.