PŘENOS TEPLA: ZÁKONY, FORMY PŘENOSU, PŘÍKLADY - FYZICKÝ - 2025

Při přenosu energie z jednoho těla do druhého dochází k přenosu tepla v důsledku rozdílu teplot mezi nimi. Proces přenosu tepla přestane, jakmile se teplota těles v kontaktu rovná nebo když je kontakt mezi nimi odstraněn.

Množství energie přenesené z jednoho těla do druhého v daném časovém období se nazývá přenesené teplo. Jedno tělo může dát teplo jinému, nebo ho může absorbovat, ale teplo vždy přechází z těla s nejvyšší teplotou do těla s nejnižší teplotou.

Obrázek 1. V ohni jsou tři mechanismy přenosu tepla: vedení, konvekce a záření. Zdroj: Pixabay.

Jednotky tepla jsou stejné jako jednotky energie a v mezinárodním systému měření (SI) je joule (J). Jiné často používané jednotky tepla jsou kalorie a BTU.

Pokud jde o matematické zákony, kterými se řídí přenos tepla, závisí na mechanismu zahrnutém do výměny.

Když je teplo vedeno z jednoho tělesa do druhého, rychlost výměny tepla je úměrná teplotnímu rozdílu. Toto je známé jako Fourierův zákon tepelné vodivosti, který vede k Newtonovu zákonu chlazení.

Formy / mechanismy přenosu tepla

Jsou to způsoby, kterými lze mezi dvěma těly vyměňovat teplo. Jsou rozpoznány tři mechanismy:

- Řízení

-Proudění

-Záření

V hrnci, jako je ten, který je zobrazen na obrázku výše, existují tyto tři mechanismy přenosu tepla:

- Kov v hrnci se zahřívá hlavně vedením.

- Voda a vzduch se zahřívají a stoupají konvekcí.

- Lidé v blízkosti hrnce jsou zahříváni vyzařovaným zářením.

Řízení

Vedení tepla se vyskytuje většinou v pevných látkách a zejména v kovech.

Například kamna v kuchyni přenáší teplo do jídla uvnitř hrnce vodivým mechanismem skrz kov dna a kovové stěny nádoby. Při tepelném vedení nedochází k transportu materiálu, pouze k energii.

Proudění

Mechanismus proudění je typický pro kapaliny a plyny. Ty jsou téměř vždy méně husté při vyšších teplotách, z tohoto důvodu dochází k přenosu tepla z horkých kapalných částí do vyšších oblastí s chladnějšími tekutinovými částmi směrem nahoru. V konvekčním mechanismu je transport materiálu.

Záření

Radiační mechanismus umožňuje výměnu tepla mezi dvěma těly, i když nejsou v kontaktu. Bezprostředním příkladem je Slunce, které ohřívá Zemi prázdným prostorem mezi nimi.

Všechna těla emitují a absorbují elektromagnetické záření. Máte-li dvě těla při různých teplotách, i když jste ve vakuu, po chvíli dosáhnou stejné teploty díky výměně tepla elektromagnetickým zářením.

Rychlost přenosu tepla

V termodynamických systémech v rovnováze záleží na celkovém množství tepla vyměňovaném s prostředím, takže systém přechází z jednoho stavu rovnováhy do druhého.

Na druhé straně, v přenosu tepla je zájem zaměřen na přechodný jev, kdy systémy dosud nedosáhly tepelné rovnováhy. Je důležité si uvědomit, že množství tepla je vyměňováno v určitém časovém období, to znamená, že existuje rychlost přenosu tepla.

Příklady

- Příklady vedení tepla

V tepelné vodivosti je tepelná energie přenášena srážkami mezi atomy a molekulami materiálu, ať už je to pevná látka, kapalina nebo plyn.

Pevné látky jsou lepší vodiče tepla než plyny a kapaliny. V kovech existují volné elektrony, které se mohou pohybovat kovem.

Protože volné elektrony mají velkou mobilitu, jsou schopny účinněji přenášet kinetickou energii prostřednictvím kolizí, a proto kovy mají vysokou tepelnou vodivost.

Z makroskopického hlediska se měří tepelná vodivost jako množství tepla přeneseného za jednotku času nebo kalorický proud H:

Obrázek 2. Vedení tepla barem. Připravil Fanny Zapata.

Kalorický proud H je úměrný průřezu oblasti A a kolísání teploty na jednotku podélné vzdálenosti.

Tato rovnice je použita pro výpočet tepelné aktuální H baru, jako je ta na obrázku 2, které se nachází mezi dvěma zásobníky teplotách T ₁ a T ₂ v tomto pořadí, kde T ₁ > T ₂.

Tepelné vodivosti materiálů

Níže je uveden seznam tepelné vodivosti některých materiálů ve wattech na metr na kelvin: W / (m. K)

Hliník -------- 205

Měď --------- 385

Stříbro ---------- 400

Ocel ---------– 50

Cork nebo laminát - 0,04

Beton nebo sklo ----- 0,8

Dřevo ----- 0,05 až 0,015

Vzduch --------– 0,024

- Příklady konvekčního tepla

Při konvekci tepla se energie přenáší v důsledku pohybu tekutiny, která má při různých teplotách různé hustoty. Například, když je voda vařena v květináči, voda blízko dna zvyšuje její teplotu, takže se rozšiřuje.

Tato expanze způsobuje stoupání horké vody, zatímco chladná klesá, aby zabírala prostor, který zbyla horkou vodou, která stoupala. Výsledkem je cirkulační pohyb, který pokračuje, dokud se nevyrovnají teploty všech úrovní.

Konvekce určuje pohyb velkých vzdušných hmot v zemské atmosféře a také určuje oběh mořských proudů.

- Příklady radiačního tepla

U mechanismů přenosu tepla vedením a konvekcí je pro přenos tepla vyžadována přítomnost materiálu. Naproti tomu v radiačním mechanismu může teplo procházet z jednoho těla do druhého pomocí vakua.

To je mechanismus, kterým Slunce při vyšší teplotě než Země přenáší energii na naši planetu přímo vakuem prostoru. Záření k nám přichází prostřednictvím elektromagnetických vln.

Všechny materiály jsou schopné emitovat a absorbovat elektromagnetické záření. Maximum emitované nebo absorbované frekvence závisí na teplotě materiálu a tato frekvence se zvyšuje s teplotou.

Převládající vlnová délka v emisním nebo absorpčním spektru černého tělesa se řídí Wienovým zákonem, který uvádí, že převládající vlnová délka je úměrná inverzi tělesné teploty.

Na druhé straně je výkon (ve wattech), se kterým tělo emituje nebo absorbuje tepelnou energii elektromagnetickým zářením, úměrný čtvrtému výkonu absolutní teploty. Toto je známé jako Stefanův zákon:

P = εAσT ⁴

Ve výše uvedeném výrazu? Je Stefan konstantní a jeho hodnota je 5,67 x 10-8 W / m ² K ⁴. A je povrchová plocha těla a ε je emisivita materiálu, bezrozměrná konstanta, jejíž hodnota je mezi 0 a 1 a závisí na materiálu.

Cvičení vyřešeno

Zvažte tyč na obrázku 2. Předpokládejme, že tyč je 5 cm dlouhá, 1 cm v poloměru a vyrobena z mědi.

Tyč je umístěna mezi dvěma stěnami, které udržují její stálou teplotu. První stěna má teplotu T1 = 100 ° C, zatímco druhá má teplotu T2 = 20 ° C. Určit:

a.- Hodnota tepelného proudu H

b.- Teplota měděné tyče ve 2 cm, 3 cm a 4 cm od stěny teploty T1.

Řešení

Protože měděná tyč je umístěna mezi dvěma stěnami, jejichž stěny udržují stejnou teplotu za všech okolností, lze říci, že je v ustáleném stavu. Jinými slovy, tepelný proud H má stejnou hodnotu pro každý okamžik.

Pro výpočet tohoto proudu použijeme vzorec, který uvádí proud H s rozdílem teplot a délky tyče.

Průřezová plocha je:

A = πR ² = 3,14 * (1 x 10 ^-2 M) ² = 3,14 x 10 ^-4 m ²

Rozdíl teplot mezi konci tyče je

AT = (100 ° C - 20 ° C) = (373 K - 293 K) = 80 K

Ax = 5 cm = 5 x 10 ^-2 m

H = 385 W / (m K) * 3,14 x ^10-4 m ² * (80 K / 5 x 10 ^-2 m) = 193,4 W

Tento proud je stejný v jakémkoli místě na liště a v jakémkoli okamžiku, protože bylo dosaženo ustáleného stavu.

B. Řešení

V této části se jsou požádáni, aby výpočet teploty Tp v bodě P se nachází v určité vzdálenosti od stěny Xp T ₁.

Výraz, který dává kalorický proud H v bodě P, je:

Z tohoto výrazu lze Tp vypočítat podle:

Vypočítáme teplotu Tp v polohách 2 cm, 3 cm a 4 cm, nahrazením číselných hodnot:

• Tp = 340,6 K = 67,6 ° C; 2 cm od T1
• Tp = 324,4 K = 51,4 ° C; 3 cm od T1
• Tp = 308,2 K = 35,2 ° C; 4 cm od T1

Reference

1. Figueroa, D. 2005. Série: Fyzika pro vědy a inženýrství. Svazek 5. Tekutiny a termodynamika. Editoval Douglas Figueroa (USB).
2. Kirkpatrick, L. 2007. Fyzika: Pohled na svět. 6. zkrácené vydání. Cengage Learning.
3. Lay, J. 2004. General Physics for Engineers. USACH.
4. Mott, R. 2006. Fluid Mechanics. 4. Edice. Pearsonovo vzdělávání.
5. Strangeways, I. 2003. Měření přírodního prostředí. 2. Edice. Cambridge University Press.
6. Wikipedia. Tepelná vodivost. Obnoveno z: es.wikipedia.com