Kai šaltą žiemos dieną einate per savo kilimą, kojoms šalčio nejaučia. Tačiau užlipus ant plytelių grindų savo vonioje, kojos iškart jaučiasi šaltai. Ar abu aukštai kažkaip skiriasi?
Jūs tikrai nesitikėtumėte, kad jie bus, atsižvelgiant į tai, ką žinote apie šiluminę pusiausvyrą. Tai kodėl jie jaučiasi tokie skirtingi? Priežastis susijusi su šilumos laidumu.
Šilumos perdavimas
Šiluma yra energija, perduodama tarp dviejų medžiagų dėl temperatūros skirtumų. Šiluma teka iš aukštesnės temperatūros objekto į žemesnės temperatūros objektą, kol bus pasiekta šiluminė pusiausvyra. Šilumos perdavimo metodai apima šilumos laidumą, konvekciją ir radiaciją.
Terminislaidumasyra režimas, išsamiau aptartas vėliau šiame straipsnyje, tačiau trumpai tai šilumos perdavimas tiesioginiu kontaktu. Iš esmės šiltesnio objekto molekulės per susidūrimą savo energiją perduoda vėsesnio objekto molekulėms, kol abu objektai bus vienodos temperatūros.
Įkonvekcija, šiluma perduodama judant. Įsivaizduokite orą savo namuose šaltą žiemos dieną. Ar pastebėjote, kad dažniausiai šildytuvai yra šalia grindų? Kai šildytuvai šildo orą, tas oras plečiasi. Išsiplėtęs jis tampa nebe toks tankus ir taip pakyla virš vėsesnio oro. Tada vėsesnis oras yra šalia šildytuvo, todėl oras gali sušilti, išsiplėsti ir pan. Šis ciklas sukuria konvekcines sroves ir priverčia šilumos energiją skleisti per orą kambaryje maišant orą, kai jis kaitinamas.
Atomai ir molekulės išskiria elektromagnetiniusradiacija, kuri yra energijos forma, galinti keliauti per erdvės vakuumą. Taip jus pasiekia šiltos ugnies šilumos energija ir kaip saulės šilumos energija patenka į Žemę.
Šilumos laidumo apibrėžimas
Šilumos laidumas yra matas, kaip lengvai šilumos energija juda per medžiagą arba kaip gerai ta medžiaga gali perduoti šilumą. Kaip gerai vyksta šilumos laidumas, priklauso nuo medžiagos šiluminių savybių.
Apsvarstykite plytelių grindis pavyzdžio pradžioje. Tai geresnis laidininkas nei kilimas. Galite pasakyti tiesiog jausdamas. Kai jūsų kojos yra ant plytelių grindų, šiluma palieka jus daug greičiau nei tada, kai esate ant kilimo. Taip yra todėl, kad plytelė leidžia jūsų kojų šilumai joje judėti daug greičiau.
Kaip ir specifinė šilumos talpa ir latentinis įkaitimas, laidumas yra savybė, būdinga nagrinėjamai medžiagai. Jis žymimas graikiška raide κ (kappa) ir dažniausiai ieškomas lentelėje. SI laidumo vienetai yra vatai / metras × Kelvinas (W / mK).
Objektai, turintys didelį šilumos laidumą, yra geri laidininkai, o objektai, turintys mažą šilumos laidumą, yra geri izoliatoriai. Čia pateikiama šilumos laidumo verčių lentelė.
Kaip matote, daiktai, dažnai liečiantys šaltį, pavyzdžiui, metalai, yra geri laidininkai. Taip pat atkreipkite dėmesį į tai, koks yra geras šilumos izoliatoriaus oras. Štai kodėl dideli pūkuoti švarkai žiemą sušildo: jie sulaiko aplink jus didelį oro sluoksnį. Putų polistirolas taip pat yra puikus izoliatorius, todėl jis naudojamas maistui ir gėrimams palaikyti šiltą ar šaltą.
Kaip šiluma juda per medžiagą
Kai šiluma sklinda per medžiagą, temperatūros gradientas egzistuoja visoje medžiagoje nuo galo, kuris yra arčiausiai šilumos šaltinio, iki galo, nutolusio nuo jos.
Kai šiluma juda per medžiagą ir nepasiekus pusiausvyros, galas yra arčiausiai šilumos šaltinis bus šilčiausias, o temperatūra linijiškai sumažės iki žemiausios toli galas. Tačiau medžiagai artėjant prie pusiausvyros, šis gradientas išsilygina.
Šilumos laidumas ir šiluminė varža
Kaip gerai šiluma gali judėti, nors objektas priklauso ne tik nuo to objekto laidumo, bet ir nuo objekto dydžio bei formos. Įsivaizduokite, kad ilgas metalinis strypas praleidžia šilumą iš vieno galo į kitą. Šilumos energijos kiekis, kuris gali praeiti, nors ir per laiko vienetą, priklausys nuo meškerykočio ilgio ir nuo to, kokio dydžio yra lazdele. Čia atsiranda šilumos laidumo sąvoka.
Medžiagos, tokios kaip geležinis strypas, šilumos laidumas apskaičiuojamas pagal formulę:
C = \ frac {\ kappa A} {L}
kurAyra medžiagos skerspjūvio plotas,Lyra ilgis, o κ - šilumos laidumas. SI laidumo vienetai yra W / K (vatai per Kelviną). Tai leidžia interpretuoti κ kaip ploto vieneto šilumos laidumą storio vienetui.
Priešingai, šiluminę varžą suteikia:
R = \ frac {L} {\ kappa A}
Tai tiesiog atvirkštinis laidumas. Atsparumas yra matas, kiek priešinasi šilumos energija, praeinanti. Šilumos varža taip pat apibrėžiama kaip 1 / κ.
Šilumos energijos greitisKlausimasjuda per ilgįLmedžiagos, kai temperatūros skirtumas tarp galų yraΔTyra pateiktas pagal formulę:
\ frac {Q} {t} = \ frac {\ kappa A \ Delta T} {L}
Tai taip pat gali būti parašyta taip:
\ frac {Q} {t} = C \ Delta T = \ frac {\ Delta T} {R}
Atkreipkite dėmesį, kad tai yra tiesiogiai analogiška tam, kas vyksta su elektros laidumo srove. Elektros laidumo srovė lygi įtampai, padalytai iš elektrinės varžos. Elektros laidumas ir elektros srovė yra analogiški šilumos laidumui ir srovei, įtampa yra analogiška temperatūros skirtumui, o elektrinė varža yra analogiška terminei pasipriešinimas. Taikoma ta pati matematika.
Paraiškos ir pavyzdžiai
Pavyzdys:Iš ledo pagaminto puslankio formos iglu vidinis spindulys yra 3 m, o storis - 0,4 m. Šiluma išsiskiria iš iglu tokiu greičiu, kuris priklauso nuo ledo šilumos laidumo, κ = 1,6 W / mK. Kokiu greičiu turi būti nuolat generuojama šiluminė energija iglu viduje, kad iglu viduje būtų palaikoma 5 laipsnių temperatūra, kai lauke yra -30 C?
Sprendimas:Teisinga šioje situacijoje naudojama lygtis yra ankstesnė lygtis:
\ frac {Q} {t} = \ frac {\ kappa A \ Delta T} {L}
Jums duota κ,ΔTyra tik temperatūros intervalo skirtumas tarp vidaus ir išorės beiLyra ledo storis.Ayra šiek tiek keblesnė. RastiAreikia rasti pusrutulio paviršiaus plotą. Tai būtų pusė sferos paviršiaus ploto, kuris yra 4πr2. Dėlr, galite pasirinkti vidutinį spindulį (iglu vidaus spindulys + pusė ledo storio = 3,2 m), taigi plotas yra:
A = 2 \ pi r ^ 2 = 2 \ pi (3,2) ^ 2 = 64,34 \ text {m} ^ 2
Tada viską sujungus į lygtį gaunama:
\ frac {Q} {t} = \ frac {\ kappa A \ Delta T} {L} = \ frac {1,6 \ kartus 64,34 kartus 35} {0,4} = 9 000 \ tekstas {vatai}
Naudojimas:Radiatorius yra įtaisas, perduodantis šilumą iš daiktų aukštoje temperatūroje į orą arba į skystį, kuris tada perneša šilumos energijos perteklių. Daugelyje kompiuterių prie procesoriaus pritvirtinta radiatorius.
Radiatorius pagamintas iš metalo, kuris atiduoda šilumą nuo centrinio procesoriaus, o tada mažas ventiliatorius cirkuliuoja orą aplink radiatorių, todėl šilumos energija išsisklaido. Jei viskas bus padaryta teisingai, aušintuvas leidžia procesoriui veikti pastoviai. Kaip gerai veikia radiatorius, priklauso nuo metalo laidumo, paviršiaus ploto, storio ir palaikomo temperatūros gradiento.
