Przenoszenie ciepła to dziedzina, która obejmuje szeroki zakres funkcji, od prostych procesów ogrzewania i chłodzenia obiektów po zaawansowane koncepcje termodynamiczne w fizyce cieplnej. Aby zrozumieć, jak napój schładza się latem lub jak ciepło przemieszcza się ze słońca na Ziemię, musisz zrozumieć te podstawowe zasady przekazywania ciepła na podstawowym poziomie.
Druga zasada termodynamiki
Druga zasada termodynamiki mówi, że ciepło przechodzi z obiektu o wyższej temperaturze do obiektu o niższej temperaturze. Atomy o wyższej energii (a tym samym o wyższej temperaturze) przesuwają się w kierunku atomów o niższej energii (niższej temperaturze) w celu utrzymania równowagi (znanej jako równowaga termiczna). Przenoszenie ciepła ma miejsce w celu utrzymania tej zasady, gdy obiekt ma inną temperaturę niż inny obiekt lub jego otoczenie.
Przenoszenie ciepła przez przewodzenie
Gdy cząstki materii stykają się bezpośrednio, ciepło przenosi się za pomocą przewodnictwa. Sąsiednie atomy o wyższej energii wibrują względem siebie, co przenosi wyższą energię na niższą energię lub wyższą temperaturę na niższą temperaturę. Oznacza to, że atomy o wyższej intensywności i wyższej temperaturze będą wibrować, przenosząc w ten sposób elektrony do obszarów o mniejszej intensywności i niższym cieple. Ciecze i gazy są mniej przewodzące niż ciała stałe (metale są najlepszymi przewodnikami), ponieważ mają mniejszą gęstość, co oznacza większą odległość między atomami.
Przenoszenie ciepła przez konwekcję
Konwekcja opisuje przenoszenie ciepła między powierzchnią a poruszającą się cieczą lub gazem. Ponieważ płyn lub gaz przemieszczają się szybciej, konwekcyjny transfer ciepła wzrasta. Dwa rodzaje konwekcji to konwekcja naturalna i konwekcja wymuszona. W konwekcji naturalnej ruch płynu wynika z gorących atomów w płynie, gdzie gorące atomy poruszają się w górę w kierunku chłodniejszych atomów w powietrzu – płyn porusza się pod wpływem grawitacji. Przykładami tego są unoszące się chmury dymu papierosowego lub ciepło z maski samochodu, które unosi się w górę. W wymuszonej konwekcji płyn jest zmuszany do przemieszczania się po powierzchni przez wentylator, pompę lub inne zewnętrzne źródło.
Przenikanie ciepła i promieniowanie
Promieniowanie (nie mylić z promieniowaniem cieplnym) odnosi się do przenoszenia ciepła przez pustą przestrzeń. Ta forma wymiany ciepła zachodzi bez pośrednictwa medium; promieniowanie działa nawet w doskonałej próżni i przez nią. Na przykład energia słoneczna przemieszcza się przez próżnię kosmiczną, zanim transfer ciepła ogrzeje Ziemię.
Przenikanie ciepła stanowi integralną część kształcenia w zakresie odpowiednich przedmiotów, takich jak program nauczania inżynierii chemicznej czy mechanicznej. Produkcja i HVAC (ogrzewanie, wentylacja i chłodzenie powietrzem) to przykłady branż, które w dużym stopniu opierają się na termodynamice i zasadach wymiany ciepła. Nauka o cieple i fizyka cieplna to wyższe dziedziny edukacji, które zajmują się przenoszeniem ciepła.