Τρεις τύποι μεταφοράς θερμότητας

Η μεταφορά θερμότητας καταλαμβάνει ένα πεδίο το οποίο περιλαμβάνει ένα ευρύ φάσμα λειτουργιών, από τις απλές διαδικασίες θέρμανσης και ψύξης αντικειμένων έως προηγμένες θερμοδυναμικές έννοιες στη θερμική φυσική. Για να καταλάβετε πώς ένα ποτό ψύχεται το καλοκαίρι ή πώς ταξιδεύει η θερμότητα από τον ήλιο στη Γη, πρέπει να κατανοήσετε αυτές τις βασικές αρχές της μεταφοράς θερμότητας σε θεμελιώδες επίπεδο.

Ο Δεύτερος Νόμος της Θερμοδυναμικής αναφέρει ότι η θερμότητα μεταφέρεται από ένα αντικείμενο υψηλότερης θερμοκρασίας σε εκείνη μιας χαμηλότερης θερμοκρασίας. Τα άτομα με υψηλότερη ενέργεια (και επομένως υψηλότερη θερμοκρασία) κινούνται προς τα άτομα χαμηλότερης ενέργειας (χαμηλότερη θερμοκρασία) προκειμένου να διατηρηθεί η ισορροπία (γνωστή ως θερμική ισορροπία). Η μεταφορά θερμότητας συμβαίνει προκειμένου να διατηρηθεί αυτή η αρχή όταν ένα αντικείμενο βρίσκεται σε διαφορετική θερμοκρασία από ένα άλλο αντικείμενο ή το περιβάλλον του.

Όταν τα σωματίδια της ύλης βρίσκονται σε άμεση επαφή, η θερμότητα μεταφέρεται μέσω αγωγής. Τα παρακείμενα άτομα υψηλότερης ενέργειας δονείται το ένα με το άλλο, το οποίο μεταφέρει την υψηλότερη ενέργεια στην χαμηλότερη ενέργεια, ή την υψηλότερη θερμοκρασία σε χαμηλότερη θερμοκρασία. Δηλαδή, άτομα υψηλότερης έντασης και υψηλότερης θερμότητας θα δονείται, μετακινώντας έτσι τα ηλεκτρόνια σε περιοχές χαμηλότερης έντασης και χαμηλότερης θερμότητας. Τα υγρά και τα αέρια είναι λιγότερο αγώγιμα από τα στερεά (τα μέταλλα είναι οι καλύτεροι αγωγοί) λόγω του γεγονότος ότι είναι λιγότερο πυκνά, πράγμα που σημαίνει ότι υπάρχει μεγαλύτερη απόσταση μεταξύ των ατόμων.

Το Convection περιγράφει τη μεταφορά θερμότητας μεταξύ μιας επιφάνειας και ενός υγρού ή αερίου σε κίνηση. Καθώς το ρευστό ή το αέριο ταξιδεύει γρηγορότερα, αυξάνεται η μεταφορά θερμότητας. Δύο τύποι μεταφοράς είναι η φυσική μεταφορά και η αναγκαστική μεταφορά. Στη φυσική μεταφορά, η κίνηση ρευστού προκύπτει από τα καυτά άτομα στο υγρό, όπου τα καυτά άτομα κινούνται προς τα πάνω προς τα ψυχρότερα άτομα στον αέρα - το υγρό κινείται υπό την επίδραση της βαρύτητας. Παραδείγματα αυτού περιλαμβάνουν τα αυξανόμενα σύννεφα καπνού τσιγάρων ή τη θερμότητα από την κουκούλα ενός αυτοκινήτου που ανεβαίνει προς τα πάνω. Στην αναγκαστική μεταφορά, το υγρό αναγκάζεται να ταξιδέψει πάνω από την επιφάνεια με έναν ανεμιστήρα ή αντλία ή κάποια άλλη εξωτερική πηγή.

Η ακτινοβολία (δεν πρέπει να συγχέεται με τη θερμική ακτινοβολία) αναφέρεται στη μεταφορά θερμότητας μέσω κενού χώρου. Αυτή η μορφή μεταφοράς θερμότητας συμβαίνει χωρίς παρεμβαλλόμενο μέσο. Η ακτινοβολία λειτουργεί ακόμη και μέσα σε ένα τέλειο κενό. Για παράδειγμα, η ενέργεια από τον ήλιο ταξιδεύει μέσα στο κενό του διαστήματος προτού η θερμότητα μεταφέρει τη Γη.

Η μεταφορά θερμότητας αποτελεί αναπόσπαστο μέρος της εκπαίδευσης σε σχετικά θέματα, όπως στο πρόγραμμα σπουδών της χημικής ή της μηχανικής. Η κατασκευή και το HVAC (θέρμανση, αερισμός και ψύξη αέρα) είναι παραδείγματα βιομηχανιών που βασίζονται σε μεγάλο βαθμό στη θερμοδυναμική και στις αρχές μεταφοράς θερμότητας. Η θερμική επιστήμη και η θερμική φυσική είναι ανώτερα πεδία εκπαίδευσης που ασχολούνται με τη μεταφορά θερμότητας.