Μεταφορά Θερμότητας – Αγωγή, Συναγωγή, Ακτινοβολία

Η μεταφορά θερμότητας συμβαίνει όταν η θερμική ενέργεια μετακινείται από το ένα μέρος στο άλλο. Τα άτομα και τα μόρια έχουν εγγενώς κινητική και θερμική ενέργεια, επομένως όλη η ύλη συμμετέχει στη μεταφορά θερμότητας. Υπάρχουν τρεις κύριοι τύποι μεταφοράς θερμότητας, καθώς και άλλες διεργασίες που μεταφέρουν ενέργεια από υψηλή θερμοκρασία σε χαμηλή θερμοκρασία.

Τι είναι η μεταφορά θερμότητας;

Η μεταφορά θερμότητας είναι η κίνηση της θερμότητας που οφείλεται σε διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ ενός συστήματος και του περιβάλλοντός του. Η μεταφορά ενέργειας γίνεται πάντα από υψηλότερη θερμοκρασία σε χαμηλότερη θερμοκρασία, λόγω του δεύτερου θερμοδυναμικού νόμου. Οι μονάδες μεταφοράς θερμότητας είναι το τζάουλ (J), οι θερμίδες (cal) και οι χιλιοθερμίδες (kcal). Η μονάδα για το ρυθμό μεταφοράς θερμότητας είναι τα κιλοβάτ (KW).

Οι τρεις τύποι μεταφοράς θερμότητας με παραδείγματα

Οι τρεις τύποι μεταφοράς θερμότητας διαφέρουν ανάλογα με τη φύση του μέσου που μεταδίδει τη θερμότητα:

Η διεξαγωγή απαιτεί επαφή.
Η μεταφορά απαιτεί ροή υγρού.
Η ακτινοβολία δεν απαιτεί κανένα μέσο.

Διεξαγωγή είναι η μεταφορά θερμότητας απευθείας μεταξύ γειτονικών ατόμων ή μορίων. Συνήθως, είναι μεταφορά θερμότητας μέσω ενός στερεού. Για παράδειγμα, η μεταλλική λαβή ενός τηγανιού σε μια σόμπα ζεσταίνεται λόγω μεταφοράς. Αγγίζοντας το ζεστό τηγάνι μεταφέρεται θερμότητα στο χέρι σας.
Συναγωγή είναι η μεταφορά θερμότητας μέσω της κίνησης ενός ρευστού, όπως ο αέρας ή το νερό. Η θέρμανση του νερού σε μια σόμπα είναι ένα καλό παράδειγμα. Το νερό στο πάνω μέρος της κατσαρόλας γίνεται ζεστό επειδή το νερό κοντά στην πηγή θερμότητας ανεβαίνει. Ένα άλλο παράδειγμα είναι η κίνηση του αέρα γύρω από μια φωτιά. Ο ζεστός αέρας ανεβαίνει, μεταφέροντας τη θερμότητα προς τα πάνω. Εν τω μεταξύ, το μερικό κενό που αφήνει αυτή η κίνηση αντλεί δροσερό εξωτερικό αέρα που τροφοδοτεί τη φωτιά με φρέσκο οξυγόνο.
Ακτινοβολία είναι η εκπομπή ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας. Ενώ εμφανίζεται μέσω ενός μέσου, δεν απαιτείται. Για παράδειγμα, είναι ζεστό έξω μια ηλιόλουστη μέρα επειδή η ηλιακή ακτινοβολία διασχίζει το διάστημα και θερμαίνει την ατμόσφαιρα. Το στοιχείο καυστήρα μιας σόμπας εκπέμπει επίσης ακτινοβολία. Ωστόσο, κάποια θερμότητα από έναν καυστήρα προέρχεται από την αγωγιμότητα μεταξύ του θερμού στοιχείου και ενός μεταλλικού δοχείου. Οι περισσότερες πραγματικές διαδικασίες περιλαμβάνουν πολλαπλές μορφές μεταφοράς θερμότητας.

Διεξαγωγή

Η αγωγιμότητα απαιτεί τα μόρια να έρχονται σε επαφή μεταξύ τους, καθιστώντας την πιο αργή διαδικασία από τη μεταφορά ή την ακτινοβολία. Τα άτομα και τα μόρια με πολλή ενέργεια έχουν περισσότερη κινητική ενέργεια και εμπλέκονται σε περισσότερες συγκρούσεις με άλλη ύλη. Είναι «καυτά». Όταν η θερμή ύλη αλληλεπιδρά με την ψυχρή ύλη, κάποια ενέργεια μεταφέρεται κατά τη σύγκρουση. Αυτό οδηγεί την αγωγιμότητα. Οι μορφές ύλης που μεταφέρουν εύκολα τη θερμότητα ονομάζονται θερμικοί αγωγοί.

Παραδείγματα αγωγής

Η αγωγή είναι μια κοινή διαδικασία στην καθημερινή ζωή. Για παράδειγμα:

Το να κρατάτε ένα παγάκι κάνει αμέσως τα χέρια σας κρύα. Εν τω μεταξύ, η θερμότητα που μεταφέρεται από το δέρμα σας στον πάγο το λιώνει σε υγρό νερό.
Το να περπατάτε ξυπόλητοι σε ζεστό δρόμο ή ηλιόλουστη παραλία καίει τα πόδια σας επειδή το στερεό υλικό μεταδίδει θερμότητα στο πόδι σας.
Τα σιδερένια ρούχα μεταφέρουν θερμότητα από το σίδερο στο ύφασμα.
Η λαβή μιας κούπας καφέ γεμάτη με ζεστό καφέ γίνεται ζεστή ή ακόμα και ζεστή μέσω της αγωγής μέσω του υλικού της κούπας.

Εξίσωση αγωγιμότητας

Μια εξίσωση για την αγωγιμότητα υπολογίζει τη μεταφορά θερμότητας ανά μονάδα χρόνου από τη θερμική αγωγιμότητα, την περιοχή, το πάχος του υλικού και τη διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ δύο περιοχών:

Q =[K ∙ A ∙ (T_καυτό – T_κρύο )] / δ

Q είναι η μεταφορά θερμότητας ανά μονάδα χρόνου
K είναι ο συντελεστής θερμικής αγωγιμότητας της ουσίας
Α είναι η περιοχή μεταφοράς θερμότητας
Τ_καυτό είναι η θερμοκρασία της θερμής περιοχής
Τ_κρύο είναι η θερμοκρασία της ψυχρής περιοχής
d είναι το πάχος του σώματος

Συναγωγή

Συναγωγή είναι η μετακίνηση μορίων ρευστού από περιοχές υψηλότερης θερμοκρασίας σε περιοχές χαμηλότερης θερμοκρασίας. Η αλλαγή της θερμοκρασίας ενός ρευστού επηρεάζει την πυκνότητά του, παράγοντας ρεύματα μεταφοράς. Εάν ο όγκος ενός ρευστού αυξηθεί, τότε η πυκνότητά του μειώνεται και γίνεται άνωση.

Παραδείγματα συναγωγής

Η μεταφορά είναι μια γνωστή διαδικασία στη Γη, που περιλαμβάνει κυρίως αέρα ή νερό. Ωστόσο, ισχύει και για άλλα υγρά, όπως τα αέρια ψύξης και το μάγμα. Παραδείγματα μεταφοράς περιλαμβάνουν:

Το βραστό νερό υφίσταται συναγωγή καθώς τα λιγότερο πυκνά θερμά μόρια ανεβαίνουν μέσω ψυχρότερων μορίων υψηλότερης πυκνότητας.
Ο ζεστός αέρας ανεβαίνει και ο ψυχρότερος αέρας βυθίζεται και τον αντικαθιστά.
Η μεταφορά οδηγεί την παγκόσμια κυκλοφορία στους ωκεανούς μεταξύ των ισημερινών και των πόλων.
Ένας φούρνος μεταφοράς αερίου κυκλοφορεί ζεστό αέρα και μαγειρεύει πιο ομοιόμορφα από έναν φούρνο που χρησιμοποιεί μόνο θερμαντικά στοιχεία ή φλόγα αερίου.

Εξίσωση μεταφοράς

Η εξίσωση για το ρυθμό μεταφοράς σχετίζεται με την περιοχή και τη διαφορά μεταξύ της θερμοκρασίας του ρευστού και της θερμοκρασίας επιφάνειας:

Q =h_c ∙ A ∙ (T_s – T_f )

Q είναι η μεταφορά θερμότητας ανά μονάδα χρόνου
h_γ είναι ο συντελεστής μεταφοράς θερμότητας με συναγωγή
Α είναι η περιοχή μεταφοράς θερμότητας
Τ_s είναι η θερμοκρασία της επιφάνειας
Τ_στ είναι η θερμοκρασία του υγρού

Ακτινοβολία

Η ακτινοβολία είναι η απελευθέρωση ηλεκτρομαγνητικής ενέργειας. Ένα άλλο όνομα για τη θερμική ακτινοβολία είναι η ακτινοβολούμενη θερμότητα. Σε αντίθεση με την αγωγιμότητα ή τη μεταφορά, η ακτινοβολία δεν απαιτεί μέσο για τη μεταφορά θερμότητας. Έτσι, η ακτινοβολία εμφανίζεται τόσο μέσα σε ένα μέσο (στερεό, υγρό, αέριο) όσο και μέσω κενού.

Παραδείγματα ακτινοβολίας

Υπάρχουν πολλά παραδείγματα ακτινοβολίας:

Ένας φούρνος μικροκυμάτων εκπέμπει ακτινοβολία μικροκυμάτων, η οποία αυξάνει τη θερμική ενέργεια στα τρόφιμα
Ο Ήλιος εκπέμπει φως (συμπεριλαμβανομένης της υπεριώδους ακτινοβολίας) και θερμότητα
Το ουράνιο-238 εκπέμπει ακτινοβολία άλφα καθώς διασπάται σε θόριο-234

Εξίσωση ακτινοβολίας

Ο νόμος Stephan-Boltzmann περιγράφει τη σχέση μεταξύ της ισχύος και της θερμοκρασίας της θερμικής ακτινοβολίας:

P =e ∙ σ ∙ A· (Tr – Tc)

P είναι η καθαρή ισχύς της ακτινοβολίας
Α είναι η περιοχή ακτινοβολίας
Tr είναι η θερμοκρασία του ψυγείου
Tc είναι η θερμοκρασία περιβάλλοντος
e είναι εκπομπή
σ είναι η σταθερά του Stefan (σ =5,67 × 10WmK)

Περισσότερη μεταφορά θερμότητας – Χημικοί δεσμοί και μεταβάσεις φάσεων

Ενώ η αγωγή, η συναγωγή και η ακτινοβολία είναι οι τρεις τρόποι μεταφοράς θερμότητας, άλλες διεργασίες απορροφούν και απελευθερώνουν θερμότητα. Για παράδειγμα, τα άτομα απελευθερώνουν ενέργεια όταν σπάνε χημικοί δεσμοί και απορροφούν ενέργεια για να σχηματίσουν δεσμούς. Η απελευθέρωση ενέργειας είναι μια εξεργονική διαδικασία, ενώ η απορρόφηση ενέργειας είναι μια ενδοργική διαδικασία. Μερικές φορές η ενέργεια είναι φως ή ήχος, αλλά τις περισσότερες φορές είναι θερμότητα, καθιστώντας αυτές τις διεργασίες εξώθερμες και ενδόθερμες.

Οι μεταβάσεις φάσεων μεταξύ των καταστάσεων της ύλης περιλαμβάνουν επίσης την απορρόφηση ή την απελευθέρωση ενέργειας. Ένα εξαιρετικό παράδειγμα αυτού είναι η ψύξη με εξάτμιση, όπου η μετάβαση φάσης από υγρό σε ατμό απορροφά θερμική ενέργεια από το περιβάλλον.

Αναφορές

Faghri, Amir; Zhang, Yuwen; Howell, John (2010). Σύνθετη μεταφορά θερμότητας και μάζας . Columbia, MO:Global Digital Press. ISBN 978-0-9842760-0-4.
Γεανκοπλής, Κρίστι Τζον (2003). Διαδικασίες μεταφοράς και αρχές διαχωρισμού (4η έκδ.). Prentice Hall. ISBN 0-13-101367-X.
Peng, Z.; Doroodchi, Ε.; Moghtaderi, B. (2020). «Μοντελοποίηση μεταφοράς θερμότητας σε προσομοιώσεις θερμικών διεργασιών με βάση τη μέθοδο διακριτών στοιχείων (DEM):Θεωρία και ανάπτυξη μοντέλων». Πρόοδος στην Επιστήμη της Ενέργειας και της Καύσης . 79:100847. doi:10.1016/j.pecs.2020.100847
Welty, James R.; Wicks, Charles E.; Wilson, Robert Elliott (1976). Βασικές αρχές ορμής, θερμότητας και μεταφοράς μάζας (2η έκδ.). Νέα Υόρκη:Wiley. ISBN 978-0-471-93354-0.