Теплообмін займає поле, яке включає широкий спектр функцій, від простих процесів нагрівання та охолодження об'єктів до сучасних термодинамічних концепцій в тепловій фізиці. Для того, щоб зрозуміти, як напій охолоджується влітку або як тепло проходить від сонця до Землі, ви повинні зрозуміти ці основні принципи тепловіддачі на фундаментальному рівні.
Другий закон термодинаміки
Другий закон термодинаміки стверджує, що тепло передається від об’єкта з більш високою температурою до об’єкта з нижчою температурою. Атоми з вищою енергією (і, отже, більш висока температура) рухаються до атомів з нижчою енергією (нижча температура), щоб зберегти рівновагу (відому як теплова рівновага). Передача тепла відбувається для того, щоб підтримувати цей принцип, коли об’єкт перебуває під температурою, відмінною від іншого об’єкта або його оточення.
Передача тепла шляхом проведення
Коли частинки речовини безпосередньо контактують, тепловіддача здійснюється за допомогою провідності. Сусідні атоми вищої енергії вібрують один проти одного, що передає вищу енергію нижчій енергії або вищу температуру нижчій температурі. Тобто атоми більшої інтенсивності та більш високого тепла будуть вібрувати, переміщуючи тим самим електрони в області меншої інтенсивності та нижчого тепла. Рідини та гази менш провідні, ніж тверді речовини (метали - найкращі провідники) через те, що вони менш щільні, тобто між атомами є більша відстань.
Конвекційний теплообмін
Конвекція описує тепловіддачу між поверхнею та рідиною чи газом, що рухається. Коли рідина або газ рухаються швидше, конвективний теплообмін збільшується. Два типи конвекції - це природна конвекція та примусова конвекція. При природній конвекції рух рідини відбувається внаслідок гарячих атомів у рідині, де гарячі атоми рухаються вгору до більш холодних атомів у повітрі - рідина рухається під впливом сили тяжіння. Прикладами цього можуть бути хмари сигаретного диму, що піднімаються, або нагрівання капота автомобіля, що піднімається вгору. При примусовій конвекції рідина змушена рухатися по поверхні за допомогою вентилятора або насоса або іншого зовнішнього джерела.
Теплообмін та випромінювання
Випромінювання (не плутати з тепловим випромінюванням) означає передачу тепла через порожній простір. Ця форма теплообміну відбувається без проміжного середовища; випромінювання працює навіть у ідеальному вакуумі та через нього. Наприклад, енергія від Сонця подорожує через вакуум простору, перш ніж теплопередача нагріває Землю.
Теплообмін є невід’ємною частиною навчання з відповідних предметів, наприклад, у навчальній програмі хімічної та машинобудівної промисловості. Виробництво та HVAC (опалення, вентиляція та охолодження повітря) - це приклади галузей, які значною мірою покладаються на термодинаміку та принципи теплопередачі. Теплові науки та теплова фізика - це вищі галузі освіти, які займаються питаннями теплообміну.