Warmteoverdracht beslaat een gebied dat een breed scala aan functies omvat, van de eenvoudige processen van het verwarmen en koelen van objecten tot geavanceerde thermodynamische concepten in de thermische fysica. Om te begrijpen hoe een drankje in de zomer afkoelt of hoe warmte van de zon naar de aarde gaat, moet je deze basisprincipes van warmteoverdracht op een fundamenteel niveau begrijpen.
Tweede wet van de thermodynamica
De tweede wet van de thermodynamica stelt dat warmte wordt overgedragen van een object met een hogere temperatuur naar een object met een lagere temperatuur. De atomen met hogere energie (en dus hogere temperatuur) bewegen naar de atomen met lagere energie (lagere temperatuur) om het evenwicht te handhaven (bekend als thermisch evenwicht). Warmteoverdracht vindt plaats om dit principe te behouden wanneer een object een andere temperatuur heeft dan een ander object of zijn omgeving.
Warmteoverdracht door geleiding
Wanneer materiedeeltjes in direct contact staan, wordt warmte overgedragen door middel van geleiding. De aangrenzende atomen met hogere energie trillen tegen elkaar, waardoor de hogere energie wordt overgedragen naar de lagere energie, of de hogere temperatuur naar de lagere temperatuur. Dat wil zeggen, atomen met een hogere intensiteit en hogere warmte zullen trillen, waardoor de elektronen naar gebieden met een lagere intensiteit en minder warmte worden verplaatst. Vloeistoffen en gassen zijn minder geleidend dan vaste stoffen (metalen zijn de beste geleiders) vanwege het feit dat ze minder dicht zijn, wat betekent dat er een grotere afstand tussen atomen is.
Convectie warmteoverdracht
Convectie beschrijft warmteoverdracht tussen een oppervlak en een vloeistof of gas in beweging. Naarmate de vloeistof of het gas sneller reist, neemt de convectieve warmteoverdracht toe. Twee soorten convectie zijn natuurlijke convectie en geforceerde convectie. Bij natuurlijke convectie is vloeistofbeweging het gevolg van de hete atomen in de vloeistof, waar de hete atomen omhoog bewegen naar de koelere atomen in de lucht - de vloeistof beweegt onder invloed van de zwaartekracht. Voorbeelden hiervan zijn de opstijgende sigarettenrookwolken, of de warmte van de motorkap van een auto die naar boven stijgt. Bij geforceerde convectie wordt de vloeistof gedwongen over het oppervlak te reizen door een ventilator of pomp of een andere externe bron.
Warmteoverdracht en straling
Straling (niet te verwarren met warmtestraling) verwijst naar de overdracht van warmte door lege ruimte. Deze vorm van warmteoverdracht vindt plaats zonder tussenkomst van een medium; straling werkt zelfs in en door een perfect vacuüm. Energie van de zon reist bijvoorbeeld door het vacuüm van de ruimte voordat de overdracht van warmte de aarde opwarmt.
Warmteoverdracht vormt een integraal onderdeel van het onderwijs in relevante vakken, zoals in het curriculum van scheikunde of werktuigbouwkunde. Productie en HVAC (verwarming, ventilatie en luchtkoeling) zijn voorbeelden van industrieën die sterk afhankelijk zijn van thermodynamica en principes van warmteoverdracht. Thermische wetenschap en thermische fysica zijn hogere onderwijsgebieden die zich bezighouden met warmteoverdracht.
