Warmteoverdracht vindt plaats door drie hoofdmechanismen: geleiding, waarbij rigoureus trillende moleculen hun energie overdragen aan andere moleculen met lagere energie; convectie, waarbij de bulkbeweging van een vloeistof stromingen en wervelingen veroorzaakt die het mengen en de distributie van thermische energie bevorderen; en straling, waarbij een heet lichaam energie uitstraalt die via elektromagnetische golven op een ander systeem kan inwerken. Convectie en geleiding zijn de twee meest prominente methoden voor warmteoverdracht in vloeistoffen en gassen.
Algemene geleiding
Geleiding vindt meestal plaats in vaste stoffen. Elektrische kookplaten gebruiken geleidende warmteoverdracht om een pan water aan de kook te brengen: thermische energie wordt overgedragen van de hete brander naar de koele pan, waardoor de temperatuur van het water stijgt. Geleiding vindt plaats door de vibratie van moleculen. In een vaste stof hebben atomen, die zeer strak in roosterachtige structuren zijn gerangschikt, zeer weinig bewegingsvrijheid in de ruimte. Naarmate de brander warmer wordt, beginnen de atomen in het metaal steeds sneller te trillen naarmate hun energie toeneemt. Wanneer je de koele pot met water op de brander plaatst, creëer je een temperatuurgradiënt - een plek waar de warmte naartoe kan stromen. Omdat energie van hete dingen naar koelere dingen stroomt, dragen de trillende atomen van de brander een deel van hun warmte over aan de atomen die het metaal van je pot water vormen. Hierdoor gaan de atomen van de pot trillen en wordt hun energie overgedragen aan het water.
Geleiding in gassen en vloeistoffen
Geleiding komt vaker voor bij vaste stoffen, maar in principe kan het - en gebeurt het - in vloeistoffen en gassen, alleen niet zo goed. Omdat de moleculen van vloeistoffen een grotere bewegingsvrijheid hebben dan in vaste stoffen, is de kans kleiner dat trillende moleculen met elkaar botsen en energie door de vloeistof overbrengen. Lucht is zelfs zo'n slechte geleider dat het wordt gebruikt om huizen te isoleren. Sommige energiezuinige ramen hebben "luchtruimtes" ertussen die een luchtzak creëren tussen de binnenkant van het huis en de koude buitenlucht. Omdat lucht de warmte niet goed geleidt, blijft er meer warmte in huis, omdat de lucht het moeilijk maakt voor deze thermische energie om naar buiten te komen.
Convectie
Convectie is verreweg de meest efficiënte en gebruikelijke manier om warmte door vloeistoffen en gassen over te dragen. Het treedt op wanneer sommige delen van een vloeistof heter worden dan andere, waardoor stromingen in de vloeistof ontstaan die het verplaatsen om die warmte gelijkmatiger te verdelen. Denk aan een huis in de winter. Het is je misschien opgevallen dat de zolder altijd erg warm is, terwijl de kelder meestal koel is. Dit gebeurt omdat wanneer lucht opwarmt, deze licht wordt, waardoor deze omhoog beweegt naar het plafond. Koude lucht is veel zwaarder en valt op de grond. Terwijl de warme lucht naar het plafond beweegt en de koude lucht valt, botsen deze twee soorten lucht en vermengen zich, waardoor: de warmte van de warme arm over te dragen aan de koelere lucht en zo de warmte door de kamer te verspreiden.
straling
Straling treedt op wanneer een lichaam heet genoeg wordt om elektromagnetische energie uit te zenden. De zon is een klassiek voorbeeld van stralingswarmteoverdracht: hij bevindt zich heel ver weg in de ruimte, maar is heet genoeg om zijn warmte te voelen. Deze warmte voel je door straling, en zelfs op een koele dag voelt de zon warm aan. Elektromagnetische energie kan door lege ruimte reizen en kan ervoor zorgen dat een doelobject van ver wordt opgewarmd. Stralingswarmteoverdracht komt niet vaak voor in vloeistoffen en gassen.