Kun kävelet maton poikki kylmänä talvipäivänä, se ei tunnu kylmältä jaloillesi. Kuitenkin, kun astut kylpyhuoneesi laattalattialle, jalkasi tuntuvat heti kylmiltä. Ovatko nämä kaksi kerrosta jotenkin erilaiset lämpötilat?
Et varmasti odota heidän olevan, kun tiedät mitä tiedät lämpötasapainosta. Joten miksi he tuntevat niin erilaisia? Syynä on lämmönjohtavuus.
Lämmönsiirto
Lämpö on energiaa, joka siirtyy kahden materiaalin välillä lämpötilaerojen vuoksi. Lämpö virtaa korkeamman lämpötilan kohteesta alemman lämpötilan kohteeseen, kunnes saavutetaan terminen tasapaino. Lämmönsiirtomenetelmiin kuuluvat lämmönjohtavuus, konvektio ja säteily.
Lämpöjohtuminenon tila, jota käsitellään tarkemmin myöhemmin tässä artikkelissa, mutta lyhyesti se on lämmönsiirto suoran kontaktin kautta. Pohjimmiltaan lämpimämmän kohteen molekyylit siirtävät energiansa viileämmän kohteen molekyyleihin törmäysten kautta, kunnes molemmat kohteet ovat saman lämpötilan.
Sisäänkonvektio, lämpö siirtyy liikkeen kautta. Kuvittele talosi ilmaa kylmänä talvipäivänä. Oletko huomannut, että useimmat lämmittimet sijaitsevat yleensä lattian lähellä? Kun lämmittimet lämmittävät ilmaa, tuo ilma laajenee. Kun se laajenee, siitä tulee vähemmän tiheä ja siten se nousee viileämmän ilman yläpuolelle. Tällöin viileämpi ilma on lähellä lämmitintä, joten ilma voi lämmetä, laajentua ja niin edelleen. Tämä sykli luo konvektiovirtoja ja saa lämpöenergian leviämään huoneen ilman läpi sekoittamalla ilmaa kuumennettaessa.
Atomit ja molekyylit vapauttavat sähkömagneettisensäteily, joka on energiamuoto, joka voi kulkea avaruuden tyhjiön läpi. Näin lämpimän tulen lämpöenergia saavuttaa sinut ja kuinka auringon lämpöenergia kulkee maahan.
Määritelmä lämmönjohtavuus
Lämmönjohtavuus mittaa sitä, kuinka helposti lämpöenergia liikkuu materiaalin läpi tai kuinka hyvin materiaali voi siirtää lämpöä. Kuinka hyvin lämmönjohtuminen tapahtuu, riippuu materiaalin lämpöominaisuuksista.
Harkitse laattalattia esimerkin alussa. Se on parempi johdin kuin matto. Voit kertoa vain tuntemalla. Kun jalkasi ovat laattalattialla, lämpö jättää sinut paljon nopeammin kuin matolla ollessasi. Tämä johtuu siitä, että laatta antaa jalkojesi lämmön liikkua sen läpi paljon nopeammin.
Aivan kuten ominaislämpökapasiteetti ja piilevät lämmöt, johtavuus on ominaisuus, joka on ominaista käsillä olevalle materiaalille. Se on merkitty kreikkalaisella kirjaimella κ (kappa), ja sitä etsitään yleensä taulukosta. SI-johtavuusyksiköt ovat wattia / metri × Kelvin (W / mK).
Esineet, joilla on korkea lämmönjohtavuus, ovat hyviä johtimia, kun taas alhaisen lämmönjohtavuuden omaavat esineet ovat hyviä eristimiä. Tässä on taulukko lämmönjohtavuusarvoista.
Kuten näette, esineet, jotka usein tuntuvat kosketukseltaan "kylmiltä", kuten metallit, ovat hyviä johtimia. Huomaa myös, kuinka hyvä lämmöneristysilma on. Siksi isot pörröiset takit pitävät sinut lämpimänä talvella: ne ansaitsevat suuren ilmakerroksen ympärilläsi. Styroksi on myös erinomainen eriste, minkä vuoksi sitä käytetään pitämään ruoat ja juomat lämpiminä tai kylminä.
Kuinka lämpö liikkuu materiaalin läpi
Kun lämpö diffundoituu materiaalin läpi, lämpötilagradientti esiintyy materiaalin poikki lämpölähdettä lähinnä olevasta päästä siitä kauimpana olevasta päästä.
Kun lämpö liikkuu materiaalin läpi ja ennen tasapainon saavuttamista, lämpöä lähinnä oleva pää Lähde on lämpimin, ja lämpötila laskee lineaarisesti sen matalimpaan tasoon loppuun. Materiaalin lähestyessä tasapainoa tämä gradientti tasaantuu.
Lämmönjohtavuus ja lämmönkestävyys
Se, kuinka hyvin lämpö voi liikkua esineen avulla, ei riipu pelkästään esineen johtavuudesta, vaan myös esineen koosta ja muodosta. Kuvittele pitkä metallitanko, joka johtaa lämpöä toisesta päästä toiseen. Lämpöenergian määrä, joka voi kulkea aikayksikköä kohti, riippuu tangon pituudesta ja siitä, kuinka suuri sauvan ympärillä on. Tässä tulee esiin lämpöjohtavuuden käsite.
Materiaalin, kuten rautatangon, lämmönjohtavuus saadaan kaavalla:
C = \ frac {\ kappa A} {L}
missäAon materiaalin poikkipinta-ala,Lon pituus ja κ on lämmönjohtavuus. SI-johtavuusyksiköt ovat W / K (wattia / Kelvin). Tämä mahdollistaa κ: n tulkinnan pinta-alayksikön lämmönjohtavuutena paksuusyksikköä kohti.
Päinvastoin lämpöresistanssi saadaan:
R = \ frac {L} {\ kappa A}
Tämä on yksinkertaisesti käänteinen johtavuus. Vastus mittaa kuinka paljon vastustusta läpäisevään lämpöenergiaan on. Lämpöresistiivisyys määritetään samoin kuin 1 / κ.
Lämpöenergian nopeusQliikkuu pituuden läpiLmateriaalin, kun päiden välinen lämpötilaero onΔTsaadaan kaavalla:
\ frac {Q} {t} = \ frac {\ kappa A \ Delta T} {L}
Tämä voidaan myös kirjoittaa seuraavasti:
\ frac {Q} {t} = C \ Delta T = \ frac {\ Delta T} {R}
Huomaa, että tämä on suoraan analogista sähkönjohtovirran kanssa. Sähkönjohtamisessa virta on yhtä suuri kuin jännite jaettuna sähkövastuksella. Sähkönjohtavuus ja sähkövirta ovat analogisia lämmönjohtavuuden ja virran kanssa, jännite on analoginen lämpötilaero ja sähköinen vastus on analoginen lämpö vastus. Sama matematiikka pätee.
Sovellukset ja esimerkit
Esimerkki:Jäästä valmistetun puolipallon muotoisen iglun sisäinen säde on 3 m ja paksuus 0,4 m. Lämpö poistuu iglosta nopeudella, joka riippuu jään lämmönjohtavuudesta, κ = 1,6 W / mK. Millä nopeudella lämpöenergiaa on jatkuvasti tuotettava iglun sisällä, jotta 5 asteen lämpötila säilyisi iglussa, kun ulkona on -30 ° C?
Ratkaisu:Oikea yhtälö, jota tässä tilanteessa käytetään, on edellinen yhtälö:
\ frac {Q} {t} = \ frac {\ kappa A \ Delta T} {L}
Sinulle annetaan κ,ΔTon vain lämpötila-alueen ero sisä- ja ulkopuolella jaLon jään paksuus.Aon vähän hankalampi. LöytääAsinun on löydettävä pallonpuoliskon pinta-ala. Tämä olisi puolet pallon pinta-alasta, joka on 4πr2. Sillär, voit valita keskimääräisen säteen (iglun sisäpuolen säde + puolet jään paksuudesta = 3,2 m), joten pinta-ala on tällöin:
A = 2 \ pi r ^ 2 = 2 \ pi (3,2) ^ 2 = 64,34 \ text {m} ^ 2
Liittämällä kaikki yhtälöön saadaan sitten:
\ frac {Q} {t} = \ frac {\ kappa A \ Delta T} {L} = \ frac {1,6 \ kertaa 64,34 kertaa 35} {0,4} = 9 000 \ teksti {wattia}
Sovellus:Jäähdytyselementti on laite, joka siirtää lämpöä esineistä korkeissa lämpötiloissa ilmaan tai nesteeseen, joka sitten kuljettaa ylimääräisen lämpöenergian pois. Useimmissa tietokoneissa on jäähdytyselementti kiinnitetty suorittimeen.
Jäähdytyselementti on valmistettu metallista, joka johtaa lämmön pois prosessorista, ja sitten pieni tuuletin kiertää ilmaa jäähdytyslevyn ympäri aiheuttaen lämpöenergian leviämisen. Jos tehdään oikein, jäähdytyselementti antaa keskusyksikön toimimaan vakaassa tilassa. Jäähdytyselementin toiminta riippuu metallin johtavuudesta, pinta-alasta, paksuudesta ja ylläpidettävästä lämpötilagradientista.