Amikor hideg téli napon átsétál a szőnyegen, a lábad nem fázik. Ha azonban a fürdőszoba járólapjára lép, a lábad azonnal hűvösnek érzi magát. A két emelet valahogy eltérő hőmérsékletű?
Biztosan nem is várnád el tőlük, ha tudod, mit tudsz a hőegyensúlyról. Akkor miért érzik magukat ennyire másnak? Ennek oka a hővezető képességgel függ össze.
Hőátadás
A hő olyan energia, amely két anyag között átadódik a hőmérséklet-különbségek miatt. A hő a hőmérséklettől az alacsonyabb hőmérsékletűig áramlik, amíg a hőegyensúly el nem ér. A hőátadás módszerei közé tartozik a hővezetés, a konvekció és a sugárzás.
Termikusvezetésaz a mód, amelyet a cikk későbbi részében részletesebben tárgyalunk, de röviden a közvetlen érintkezés útján történő hőátadásról van szó. Lényegében a melegebb tárgyban lévő molekulák ütközés útján továbbítják energiájukat a hűvösebb tárgy molekuláiba, amíg mindkét tárgy azonos hőmérsékletű nem lesz.
Ban benkonvekció, a hő mozgás útján kerül átadásra. Képzelje el a levegőt a házában egy hideg téli napon. Észrevette, hogy a legtöbb melegítő általában a padló közelében helyezkedik el? Amint a fűtőberendezések felmelegítik a levegőt, ez a levegő kitágul. Ha kitágul, kevésbé sűrűvé válik, és így a hűvösebb levegő fölé emelkedik. A hűvösebb levegő ekkor a fűtőberendezés közelében van, így a levegő felmelegedhet, kitágulhat és így tovább. Ez a ciklus konvekciós áramokat hoz létre, és a hőenergia a helyiség levegőjén keresztül eloszlik a levegő keverésével, miközben melegszik.
Az atomok és molekulák elektromágneseseksugárzás, amely egy olyan energiaforma, amely a tér vákuumán keresztül utazhat. Így jut el hozzád a meleg tűz hőenergiája, és a napból származó hőenergia hogyan jut el a Földre.
A hővezetőképesség meghatározása
A hővezető képesség annak mérése, hogy a hőenergia milyen könnyen mozog egy anyagon, vagy hogy ez az anyag mennyire képes átadni a hőt. A hővezetés mértéke az anyag hő tulajdonságaitól függ.
Vegye figyelembe a kezdetben a csempepadlót. Jobb karmester, mint a szőnyeg. Csak érzéssel mondhatja el. Amikor a lábad a csempe padlón van, a hő sokkal gyorsabban hagy el, mint akkor, amikor a szőnyegen tartózkodsz. A csempe ugyanis sokkal gyorsabban engedi át a lábad hőjét.
Csakúgy, mint a fajlagos hőkapacitás és a látens hő, a vezetőképesség is az adott anyagra jellemző tulajdonság. Görög κ (kappa) betűvel jelöljük, és általában táblázatban keressük. A vezetőképesség SI egységei watt / méter × Kelvin (W / mK).
A magas hővezető képességű objektumok jó vezetők, míg az alacsony hővezető képességű objektumok jó szigetelők. A hővezetési értékek táblázata itt található.
Amint láthatja, azok a tárgyak, amelyek gyakran tapinthatók „hidegnek”, mint például a fémek, jó vezetők. Vegye figyelembe azt is, hogy milyen jó a hőszigetelő levegő. Éppen ezért a nagy bolyhos kabátok melegen tartják télen: nagy légréteget csapdáznak körülötted. A hungarocell is kiváló szigetelő, ezért használják az ételek és italok meleg vagy hideg tartására.
Hogyan halad át a hő egy anyagon
Amint a hő diffundál az anyagon, hőmérsékleti gradiens van az anyagon a hőforráshoz legközelebb eső és a legtávolabbi végtől.
Ahogy a hő mozog az anyagon és az egyensúly elérése előtt a hőhöz legközelebb eső vég áll forrás lesz a legmelegebb, és a hőmérséklet lineárisan a legalacsonyabb szintre csökken vége. Amint az anyag megközelíti az egyensúlyt, ez a gradiens ellaposodik.
Hővezetés és hőállóság
Az, hogy a hő milyen jól mozoghat egy tárgy mellett, nemcsak az objektum vezetőképességétől, hanem a tárgy méretétől és alakjától is függ. Képzeljen el egy hosszú fémrudat, amely hőt vezet az egyik végétől a másikig. A hőenergia mennyisége, amely időnként át tud haladni, függ a rúd hosszától, valamint attól, hogy mekkora a rúd körül. Itt lép életbe a hővezetőképesség fogalma.
Egy anyag, például vasrúd hővezetőképességét a következő képlet adja meg:
C = \ frac {\ kappa A} {L}
holAaz anyag keresztmetszeti területe,La hossza és κ a hővezető képesség. A vezetőképesség SI egységei W / K (watt per Kelvin). Ez lehetővé teszi κ értelmezését egységnyi terület / egység vastagságú hővezetési tényezőként.
A hőellenállást fordítva:
R = \ frac {L} {\ kappa A}
Ez egyszerűen a vezetőképesség fordítottja. Az ellenállás annak mértéke, hogy mennyi ellentét van az áthaladó hőenergiával szemben. A hőellenállást szintén 1 / κ-ként határozzuk meg.
A hőenergia sebességeQmozog a hosszonLaz anyag, ha a végek közötti hőmérséklet-különbségΔTképlet adja meg:
\ frac {Q} {t} = \ frac {\ kappa A \ Delta T} {L}
Ezt úgy is fel lehet írni, hogy:
\ frac {Q} {t} = C \ Delta T = \ frac {\ Delta T} {R}
Ne feledje, hogy ez közvetlenül analóg azzal, ami az elektromos vezetés áramával történik. Az elektromos vezetésnél az áram megegyezik a feszültség és az elektromos ellenállás osztva. Az elektromos vezetőképesség és az elektromos áram analóg a hővezető képességgel és az árammal, feszültség analóg a hőmérséklet-különbséggel és az elektromos ellenállás analóg a hővel ellenállás. Ugyanaz a matematika érvényes.
Alkalmazások és példák
Példa:A jégből készült félgömb alakú iglu belső sugara 3 m, vastagsága 0,4 m. A hő a jég hővezető képességétől függő sebességgel távozik az iglóból, κ = 1,6 W / mK. Milyen sebességgel kell folyamatosan termelnie a hőenergiát a jégkunyhóban, hogy a jégkunyhó belsejében 5 Celsius-fokos hőmérsékletet tartson fenn, amikor kint -30 C van?
Megoldás:Ebben a helyzetben a helyes egyenlet az előző egyenlet:
\ frac {Q} {t} = \ frac {\ kappa A \ Delta T} {L}
Kapsz κ-t,ΔTcsak a hőmérséklet-tartomány különbsége belül és kívül, ésLa jég vastagsága.Akicsit trükkösebb. MegtalálniAmeg kell találnia egy félteke felületét. Ez egy gömb felületének a fele lenne, ami 4πr2. Mertr, kiválaszthatja az átlagos sugarat (az igló belsejének sugara + a jég vastagságának fele = 3,2 m), így a terület ekkor:
A = 2 \ pi r ^ 2 = 2 \ pi (3,2) ^ 2 = 64,34 \ text {m} ^ 2
Ha mindent beleadunk az egyenletbe, akkor:
\ frac {Q} {t} = \ frac {\ kappa A \ Delta T} {L} = \ frac {1,6 \ alkalommal 64,34 \ szor 35} {0,4} = 9 000 \ text {watt}
Alkalmazás:A hűtőborda olyan eszköz, amely magas hőmérsékletű tárgyakból a hőt a levegőbe vagy egy folyadékba továbbítja, amely aztán a felesleges hőenergiát elvezeti. A legtöbb számítógéphez hűtőborda csatlakozik a CPU-hoz.
A hűtőborda fémből van, amely elvezeti a hőt a CPU-tól, majd egy kis ventilátor keringeti a levegőt a hűtőborda körül, ezáltal a hőenergia eloszlik. Ha jól csinálják, a hűtőborda lehetővé teszi a CPU stabil állapotban történő működését. A hűtőborda működőképessége a fém vezetőképességétől, a felületétől, a vastagságtól és a fenntartható hőmérsékleti gradienstől függ.