Παραδείγματα Διεξαγωγής

Η μεταφορά θερμότητας είναι ένας κλάδος της θερμικής μηχανικής που ασχολείται με την παραγωγή, την εφαρμογή, την ανταλλαγή και την ανταλλαγή θερμότητας μεταξύ των σωμάτων. Η μεταφορά θερμότητας μπορεί να συμβεί σε ένα σώμα με τρεις διαφορετικές διαδικασίες: αγωγιμότητα , συναγωγή και ακτινοβολία. Η θερμότητα ρέει πάντα από ένα θερμότερο σώμα σε ένα ψυχρότερο σώμα κατά τη μεταφορά θερμότητας. Ως εκ τούτου, η μεταφορά θερμότητας συμβαίνει λόγω διαφορών στις θερμοκρασίες.

Αυτό το άρθρο θα εξηγήσει τη μεταφορά θερμότητας που προκύπτει λόγω αγωγιμότητας . Επιπλέον, θα εξηγήσουμε επίσης την έννοια της θερμικής αγωγιμότητας, η οποία συνδέεται άμεσα με την αγωγιμότητα. Εκτός από την εξήγηση της έννοιας της θερμικής αγωγιμότητας, θα παρέχουμε επίσης λύσεις σε ορισμένες από τις ερωτήσεις αγωγιμότητας.

Τι είναι η Αγωγή;

Διεξαγωγή είναι μια διαδικασία μεταφοράς θερμότητας που συμβαίνει μεταξύ των δύο παρακείμενων άκρων του σώματος λόγω της διαφοράς θερμοκρασίας. Για να λάβετε μια λεπτομερή εισαγωγή στη αγωγιμότητα,  πρέπει να κατανοήσουμε την υποκείμενη διαδικασία που συμβαίνει κατά τη διάρκεια της αγωγιμότητας. Οι εσωτερικές συγκρούσεις συμβαίνουν μεταξύ των γειτονικών ατόμων και μορίων όταν ένα σώμα θερμαίνεται. Λόγω αυτών των συγκρούσεων, η θερμότητα μεταδίδεται από το ένα μόριο στο άλλο. Έτσι η μεταφορά θερμότητας γίνεται από το ένα άκρο στο άλλο.

Η αγωγιμότητα είναι ένα φαινόμενο που εμφανίζεται εύκολα σε στερεά και υγρά σε σύγκριση με τα αέρια. Αυτό συμβαίνει κυρίως επειδή τα άτομα στα στερεά και τα υγρά στοιβάζονται κοντά. Επιπλέον, η μεταφορά θερμοκρασίας από το ένα άκρο στο άλλο εξαρτάται από τη διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ των δύο άκρων. Εάν η διαφορά θερμοκρασίας είναι μεγαλύτερη, η μεταφορά θερμότητας θα είναι επίσης μεγαλύτερη. Έτσι η μεταφορά θερμότητας σχετίζεται άμεσα με τη διαφορά θερμοκρασίας.

Ένα παράδειγμα αγωγιμότητας είναι η θέρμανση ενός τηγανιού πάνω από τη σόμπα αερίου. Όταν ανάβει η σόμπα αερίου, η φωτιά θερμαίνει τα μόρια που υπάρχουν στο τηγάνι. Η θέρμανση των μορίων στο τηγάνι προκαλεί δόνηση του μορίου. Οι δονήσεις στη συνέχεια μεταφέρονται στα παρακείμενα μόρια μέσω συγκρούσεων. Έτσι, η θερμική ενέργεια μεταφέρεται στο τηγάνι συνολικά λόγω σύγκρουσης.

Έννοια της θερμικής αγωγιμότητας

Διεξαγωγή  μπορεί να οριστεί μαθηματικά ως ο ρυθμός ροής της θερμότητας σε ένα υλικό ανάλογα με τη διαφορά θερμοκρασίας. Για να αποδείξουμε αυτόν τον ορισμό, θα πάρουμε μια μεταλλική ράβδο που έχει μήκος L και εμβαδόν διατομής A. Θα διατηρήσουμε τα άκρα της ράβδου σε διαφορετικές θερμοκρασίες.

Για να διατηρήσουμε τα άκρα σε διαφορετικές θερμοκρασίες, μπορούμε να διατηρήσουμε το ένα άκρο της ράβδου σε επαφή με μια πηγή θερμότητας που έχει θερμοκρασία T1. Αντίθετα, η θερμοκρασία σε άλλες πηγές διατηρείται στο Τ2. Επίσης, θα διατηρήσουμε τις πλευρές της ράβδου μονωμένες έτσι ώστε να μην γίνεται μεταφορά θερμότητας μεταξύ του περιβάλλοντος χώρου.

Στην περίπτωση της κατάστασης σταθερής κατάστασης, η θερμότητα παρέχεται στο άκρο όπου είναι τοποθετημένη η πηγή. Ως εκ τούτου, καθώς κινούμαστε κατά μήκος της ράβδου, η θερμοκρασία θα συνεχίσει να μειώνεται ομοιόμορφα με την απόσταση μεταξύ T1 και T2. Έτσι, ο ρυθμός ροής της θερμότητας (Η) είναι ευθέως ανάλογος με τη διαφορά μεταξύ των θερμοκρασιών Τ1 – Τ2 και του εμβαδού της ράβδου. Επιπλέον, η μεταφορά θερμότητας θα μειωθεί με την αύξηση του μήκους. Επομένως, το μήκος και η μεταφορά θερμότητας σχετίζονται αντιστρόφως μεταξύ τους.

Ο τύπος για τη μεταφορά θερμότητας είναι:– 

HAT1–T2L

H=KAT1–T2L

Εδώ K είναι η σταθερά αναλογικότητας που είναι γνωστή ως θερμική αγωγιμότητα μιας ουσίας. Η θερμική αγωγιμότητα ορίζεται ως η ικανότητα του υλικού να μεταφέρει τη θερμότητα. Η μονάδα SI θερμικής αγωγιμότητας (K) είναι J SmK ή WmK. Έτσι, ένα υλικό που έχει υψηλότερη τιμή θερμικής αγωγιμότητας, θα μπορεί να μεταφέρει τη θερμότητα με καλύτερο τρόπο.

Πραγματική εφαρμογή της έννοιας της θερμικής αγωγιμότητας

Διεξαγωγή  παίζει σημαντικό ρόλο στη μαγειρική. Επειδή κατά τη διάρκεια του μαγειρέματος, ο μάγειρας βάζει το σκεύος στον καυστήρα και στη συνέχεια μεταφέρεται θερμότητα για να ψηθεί το φαγητό που υπάρχει στο σκεύος. Τώρα, εάν η διαδικασία αγωγιμότητας αυξηθεί κατά το μαγείρεμα, τότε το φαγητό θα μαγειρευτεί πιο γρήγορα. Επομένως ορισμένα σκεύη έχουν επικαλυφθεί με χάλκινη επίστρωση στο κάτω μέρος. Ο χαλκός έχει υψηλή τιμή θερμικής αγωγιμότητας. Έτσι, η επικάλυψη του πάτου του σκεύους με χαλκό αυξάνει την κατανομή της θερμότητας στο σκεύος. Έτσι ο χαλκός στο κάτω μέρος του σκεύους διευκολύνει τη διαδικασία μαγειρέματος.

Προβλήματα συμπεριφοράς

Διεξαγωγή είναι μια διαδικασία μεταφοράς θερμότητας μεταξύ των παρακείμενων άκρων ενός υλικού. Παρακάτω θα λύσουμε ένα αριθμητικό με βάση την έννοια της αγωγιμότητας και της θερμικής αγωγιμότητας.

Ερώτηση- Ποια είναι η θερμοκρασία μιας χαλύβδινης ένωσης σε κατάσταση σταθερής κατάστασης; Δεδομένου ότι 

Μήκος του καλαμιού =15 cm 

Μήκος χάλκινης ράβδου =10 cm

Θερμοκρασία πηγής =300 βαθμοί Κελσίου

Θερμοκρασία άλλου άκρου =0 βαθμοί Κελσίου

Εμβαδόν χαλύβδινης ράβδου =2 x εμβαδόν χάλκινης ράβδου

Θερμική αγωγιμότητα χάλυβα =50,2 J/smK 

Θερμική αγωγιμότητα Χαλκού =385 J/smK

Λόγω της κατάστασης σταθερής κατάστασης, υπάρχει ένα μονωτικό υλικό γύρω από τις ράβδους. Αυτό το μονωτικό υλικό μειώνει την απώλεια θερμότητας από τα πλαϊνά. Έτσι είναι προφανές ότι η θερμότητα ρέει κατά μήκος της ράβδου. Ως εκ τούτου,

K1A1300TL1=(K2A2T-0)L2

Εδώ οι δείκτες 1 και 2 αναφέρονται στη χαλύβδινη και χάλκινη ράβδο. Τώρα,

50,2×2300-T15=385T10

Από εδώ θα υπολογίσουμε την τιμή του T 

T =44,4 βαθμοί Κελσίου

Συμπέρασμα

Οι διάφορες μέθοδοι μεταφοράς θερμότητας παίζουν σημαντικό ρόλο στη μεταφορά της θερμότητας από τη Γη στην ατμόσφαιρα. Διεξαγωγή  παίζει ζωτικό ρόλο σε διάφορες ατμοσφαιρικές δραστηριότητες όπως η θαλάσσια αύρα και ο κύκλος της βροχής. Επιπλέον, η έννοια της θερμικής αγωγιμότητας χρησιμοποιείται ευρέως στη θερμική μηχανική. Η θερμική αγωγιμότητα ενός υλικού παίζει σημαντικό ρόλο στη διαδικασία επιλογής υλικού για το σχεδιασμό ενός εξαρτήματος. Επιπλέον, η διαστολή ενός υλικού λόγω θέρμανσης εξαρτάται από τη θερμική αγωγιμότητα. Επομένως, είναι προφανές ότι οι έννοιες της αγωγιμότητας και της θερμικής αγωγιμότητας είναι ζωτικής σημασίας για τις διαφορετικές εφαρμογές της πραγματικής ζωής.