Για να κρατήσετε ένα φλιτζάνι ζεστό, πρέπει να το κρατήσετε στα χέρια σας ή να το βάλετε στο τραπέζι;

Για να διατηρείται ένα φλιτζάνι ζεστό, οι απώλειες θερμότητας μέσω αγωγιμότητας, μεταφοράς και ακτινοβολίας θα πρέπει να ελαχιστοποιούνται όσο το δυνατόν περισσότερο. Ο ευκολότερος τρόπος για να το κάνετε αυτό είναι να το κρατήσετε στα χέρια σας και να καλύψετε το πάνω μέρος.

Ο μήνας είναι Ιανουάριος και ο χειμώνας είναι σε πλήρη εξέλιξη. Έξω χιονίζει, αλλά πρέπει να φτάσετε στο γραφείο. Τα χέρια σου παγώνουν και πιάνεις ένα φλιτζάνι ζεστό καφέ για να νικήσεις την ψύχρα. Κρατώντας το φλιτζάνι στις παγωμένες παλάμες σας, τα χέρια σας σιγά σιγά ζεσταίνονται και γίνονται και πάλι άνετα. Ωστόσο, παρατηρείτε ότι το φλιτζάνι έχει γίνει πιο κρύο και αναρωτιέστε εάν το να βάλετε το φλιτζάνι στο τραπέζι θα το είχε κρατήσει πιο ζεστό.

Θα έμενε όμως ο καφές πιο ζεστός αν τον τοποθετούσαν στο τραπέζι; Και γιατί ούτως ή άλλως κρυώθηκε το φλιτζάνι στα χέρια σου;

Ένα θερμό αντικείμενο χάνει θερμότητα μέχρι να φτάσει σε κατάσταση θερμικής ισορροπίας με το περιβάλλον του. (Φωτογραφία :twenty20)

Την απάντηση στα παραπάνω ερωτήματα δίνει η Θερμοδυναμική.

Θερμική ενέργεια και ροή θερμότητας

Η Θερμοδυναμική (θερμική + δυναμική) είναι ένας κλάδος της επιστήμης που μελετά την αλληλεπίδραση της θερμικής ενέργειας με τη γύρω ύλη. Η αίσθηση του ζεστού ή του κρύου είναι ένα μέτρο της κινητικής ενέργειας (ενέργεια λόγω κίνησης) των μορίων που αποτελούν αυτό το αντικείμενο. Εάν κάτι γίνεται αντιληπτό ως ζεστό (μια υψηλότερη θερμοκρασία), τότε τα μόρια αυτού του αντικειμένου διαθέτουν μεγαλύτερη κινητική ενέργεια από ένα αντικείμενο που θεωρείται κρύο (χαμηλότερη θερμοκρασία).

Κάθε φορά που δύο αντικείμενα σε διαφορετικές θερμοκρασίες (δηλαδή, συστατικά μόρια που έχουν διαφορετικές κινητικές ενέργειες) έρχονται σε επαφή μεταξύ τους, συμβαίνει το εξής:

• Το αντικείμενο σε υψηλότερη θερμοκρασία (υψηλότερη κινητική ενέργεια μορίων) χάνει θερμότητα.
• Το αντικείμενο σε χαμηλότερη θερμοκρασία (χαμηλότερη κινητική ενέργεια μορίων) αποκτά θερμότητα.
• Η ροή θερμότητας από το αντικείμενο σε υψηλότερη θερμοκρασία προς το αντικείμενο σε χαμηλότερη θερμοκρασία λαμβάνει χώρα εφόσον υπάρχει διαφορά θερμοκρασίας. Η ροή σταματά όταν και τα δύο αντικείμενα φτάσουν στην ίδια θερμοκρασία. Αυτό ονομάζεται «θερμική ισορροπία».

Μηχανισμοί μεταφοράς θερμότητας

Η μεταφορά θερμότητας γίνεται με τους εξής τρόπους:

1) Διεξαγωγή: Η ροή ενέργειας μεταξύ δύο αντικειμένων σε διαφορετικές θερμοκρασίες σε φυσική επαφή μεταξύ τους ονομάζεται αγωγιμότητα. Η κινητική ενέργεια μεταφέρεται λόγω της σύγκρουσης μορίων στη διεπιφάνεια και των δύο αντικειμένων χωρίς να αναμιγνύονται μεταξύ τους, π.χ. οι παλάμες σας τυλίγονται γύρω από ένα ζεστό φλιτζάνι καφέ.

Τα μόρια του καφέ, έχοντας υψηλή κινητική ενέργεια, συγκρούονται με τα τοιχώματα του φλυτζανιού και μεταδίδουν ενέργεια στα μόριά του. Μέρος αυτής της κινητικής ενέργειας μεταδίδεται στη συνέχεια από τις πλευρές του φλιτζανιού στα χέρια σας.

Ο ρυθμός της θερμότητας που μεταφέρεται ανά μονάδα χρόνου (Q) δίνεται από:

<πίνακας>

όπου

A =Περιοχή επιφάνειας (τοίχωμα κυπέλλου) σε επαφή μεταξύ του θερμότερου αντικειμένου.

k =Θερμική αγωγιμότητα του μέσου (κύπελλο) μέσω του οποίου ρέει η θερμότητα.

d =Πάχος μέσης (διατομής κυπέλλου) αγώγιμης θερμότητας;

=Θερμοκρασία θερμότερου αντικειμένου (καφές);

=Θερμοκρασία ψυχρότερου αντικειμένου (Φοίνικες);

Η θερμική ενέργεια ταξιδεύει από το άκρο κοντά στη φλόγα στο αντίθετο άκρο λόγω της σύγκρουσης των μορίων μεταξύ τους

2) Συναγωγή: Η ροή ενέργειας από ένα ρευστό σε μια επιφάνεια λόγω της κίνησης του ρευστού κατά μήκος της επιφάνειας ονομάζεται συναγωγή. Γίνεται μεταφορά θερμότητας από το υγρό στην επιφάνεια, π.χ., αισθητή θερμότητα στις παλάμες δίπλα στο ζεστό φλιτζάνι καφέ (χωρίς τα χέρια σας να αγγίζουν το φλιτζάνι).

Τα τοιχώματα του φλιτζανιού αποκτούν ενέργεια με αγωγιμότητα από τον καφέ. Στη συνέχεια, τα τοιχώματα θερμαίνουν τον περιβάλλοντα αέρα μέσω της αγωγιμότητας. Ο ζεστός αέρας δίπλα στο κύπελλο ανεβαίνει και κινείται κατά μήκος της επιφάνειας των κοντινών παλάμων, μεταδίδοντας ενέργεια. Ο ρυθμός θερμότητας που μεταφέρεται ανά μονάδα χρόνου (Q) δίνεται από:

<πίνακας>

όπου

h =Συντελεστής μεταφοράς θερμότητας;

A =Περιοχή της επιφάνειας σε επαφή με ρευστό.

=Θερμοκρασία του ρευστού σε κίνηση,

=Θερμοκρασία της επιφάνειας;

Το ζεστό υγρό ανεβαίνει και το κρύο πέφτει κάτω. Η ανοδική κίνηση του θερμού υγρού μεταδίδει λίγη ενέργεια στο κρύο υγρό παραπάνω.

3) Ακτινοβολία: Η ροή της ενέργειας με τη μορφή ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων χωρίς την παρουσία φυσικού μέσου ονομάζεται ακτινοβολία. Εάν υπάρχει ένα μέσο, ​​δεν μεταδίδεται ενέργεια σε αυτό το μέσο (σε αντίθεση με την αγωγή και τη μεταφορά).

Κάθε αντικείμενο στο σύμπαν ακτινοβολεί ενέργεια με τη μορφή ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων στο υπέρυθρο άκρο του φάσματος ΗΜ. Ένα φλιτζάνι εκπέμπει επίσης ηλεκτρομαγνητικά κύματα. Το ανοιχτό επάνω μέρος εκπέμπει άμεση ακτινοβολία από τον καφέ. Ο κλειστός πυθμένας και οι πλευρές αποκτούν θερμική ενέργεια μέσω αγωγιμότητας από τον καφέ και στη συνέχεια ακτινοβολούν μέρος αυτής της ενέργειας στο περιβάλλον. Η ποσότητα θερμικής ενέργειας που εκπέμπεται ανά μονάδα (Q) χρόνου δίνεται από:

<πίνακας>

όπου

=Εκπομπή του αντικειμένου (δίνει μια ιδέα για το πόσο καλός πομπός είναι το αντικείμενο);

A =Περιοχή επιφάνειας ακτινοβολίας (Ανοιχτή κορυφή + Πλευρική περιοχή τοιχωμάτων κυπέλλου);

=Stefan’s Constant

=Θερμοκρασία ψυγείου

=Θερμοκρασία περιβάλλοντος

Υπέρυθρη εικόνα ενός καλοριφέρ. Το κόκκινο-κίτρινο υποδηλώνει υψηλή θερμοκρασία και το μπλε-ιώδες υποδεικνύει χαμηλή θερμοκρασία (Φωτογραφία:Ivan Smuk/Shutterstock)

Η απάντηση

Το φλιτζάνι του καφέ στην περίπτωσή μας χάνει θερμότητα μέσω των τριών μηχανισμών που συζητήθηκαν παραπάνω. Η ερώτηση παρουσιάζει τα ακόλουθα σενάρια:

ΠΕΡΙΠΤΩΣΗ 1:Κύπελλο που κρατιέται στο τραπέζι	ΠΕΡΙΠΤΩΣΗ 2:Κύπελλο που κρατιέται σε παλάμες
Η ανοιχτή επιφάνεια (καφές) εκπέμπει θερμότητα στο περιβάλλον, που δίνεται από τον μηχανισμό 3	Η ανοιχτή επιφάνεια (καφές) εκπέμπει θερμότητα στο περιβάλλον, που παρέχεται από τον μηχανισμό 3
Η κάτω επιφάνεια χάνει θερμότητα μέσω της αγωγιμότητας στο τραπέζι, που δίνεται από τον μηχανισμό 1	Η κάτω επιφάνεια εκπέμπει θερμότητα στο περιβάλλον, που δίνεται από τον μηχανισμό 3
Οι πλευρές του φλιτζανιού εκπέμπουν θερμότητα στο περιβάλλον, που δίνεται από τον μηχανισμό 3	Οι πλευρές του φλιτζανιού μεταφέρουν θερμότητα στις παλάμες, διέπονται από τον μηχανισμό 1

(ΣΗΜΕΙΩΣΗ:Εφόσον η μεταφορά είναι η μεταφορά θερμότητας λόγω της μαζικής κίνησης του ρευστού κατά μήκος μιας επιφάνειας, δεν συμβάλλει στις περιπτώσεις που συζητήθηκαν παραπάνω. Εάν οι παλάμες κρατούνταν δίπλα στο κύπελλο, αλλά δεν το ακουμπούσαν, τότε η μεταφορά θα είχε συνέβαλε.)

Όταν όλες οι μεταβλητές παραμένουν αμετάβλητες, η ακτινοβολία είναι ο ταχύτερος τρόπος μεταφοράς θερμότητας (ταχύτερη από τη μεταφορά και την αγωγή), καθώς συμβαίνει με την ταχύτητα του φωτός (3 m/s).

Από την παραπάνω συζήτηση, είναι προφανές ότι στην ΠΕΡΙΠΤΩΣΗ 1, υπάρχει μέγιστη απώλεια ακτινοβολίας απευθείας από τοίχους καφέ/φλιτζανιού . Αυτό έχει ως αποτέλεσμα σημαντικά ταχύτερη απώλεια θερμότητας από ό,τι στην ΠΕΡΙΠΤΩΣΗ 2 .

Επομένως, για να διατηρήσετε το φλιτζάνι ζεστό, κρατήστε το ανάμεσα στα χέρια σας!

Μπορεί να διατηρηθεί ζεστό για περισσότερο εάν το επάνω καπάκι είναι κλειστό και η κάτω επιφάνεια είναι καλυμμένη για να ελαχιστοποιηθεί η απώλεια αγωγιμότητας. Η δημιουργία ενός στρώματος κενού γύρω από το κύπελλο θα φρόντιζε τις απώλειες μεταφοράς.

Επίσης, δεδομένου ότι τα κύματα ΗΜ υπακούουν στους νόμους της ανάκλασης, κρατήστε μια επιφάνεια (καθρέφτη) με υψηλή ανακλάση γύρω από το κύπελλο πέρα ​​από το στρώμα κενού. Η ακτινοβολία που εκπέμπεται από το φλιτζάνι θα αντανακλάται πίσω στο φλιτζάνι, διατηρώντας τον καφέ ζεστό για ώρες. Ή μπορείτε να εξοικονομήσετε πολύ χρόνο και απλώς να αγοράσετε ένα θερμός υψηλής ποιότητας!