Šilumos perdavimo tipai: šilumos perdavimo koeficientas

2024 Autorius: Howard Calhoun | [email protected]. Paskutinį kartą keistas: 2023-12-17 10:34

Bet kuris materialus kūnas turi tokią savybę kaip šiluma, kuri gali didėti ir mažėti. Šiluma nėra materiali medžiaga: kaip medžiagos vidinės energijos dalis ji atsiranda dėl molekulių judėjimo ir sąveikos. Kadangi skirtingų medžiagų šiluma gali skirtis, vyksta šilumos perdavimo procesas iš karštesnės medžiagos į mažiau šilumos turinčią medžiagą. Šis procesas vadinamas šilumos perdavimu. Šiame straipsnyje apžvelgsime pagrindinius šilumos perdavimo tipus ir jų veikimo mechanizmus.

Šilumos perdavimo nustatymas

Šilumos perdavimas arba temperatūros perdavimo procesas gali vykti tiek medžiagos viduje, tiek iš vienos medžiagos į kitą. Tuo pačiu metu šilumos perdavimo intensyvumas labai priklauso nuo fizikinių medžiagos savybių, medžiagų temperatūros (jei šilumos pernešime dalyvauja kelios medžiagos) ir fizikos dėsnių. Šilumos perdavimas yra procesas, kuris visada vyksta vienašališkai. Pagrindinis šilumos perdavimo principas yra tas, kad karščiausias kūnas visada atiduoda šilumą žemesnės temperatūros objektui. Pavyzdžiui, lyginant drabužius, karštu lygintuvusuteikia kelnėms šilumos, o ne atvirkščiai. Šilumos perdavimas yra nuo laiko priklausomas reiškinys, apibūdinantis negrįžtamą šilumos pasiskirstymą erdvėje.

Šilumos perdavimo mechanizmai

Medžiagų šiluminės sąveikos mechanizmai gali būti įvairių formų. Gamtoje yra trys šilumos perdavimo tipai:

1. Šiluminis laidumas yra tarpmolekulinės šilumos perdavimo iš vienos kūno dalies į kitą arba į kitą objektą mechanizmas. Savybė pagrįsta nagrinėjamų medžiagų temperatūros nehomogeniškumu.
2. Konvekcija – šilumos mainai tarp skysčių terpių (skysčio, oro).
3. Radiacinis veiksmas – tai šilumos perdavimas iš įkaitusių ir įkaitusių kūnų (š altinių) dėl jų energijos nuolatinio spektro elektromagnetinių bangų pavidalu.

Išsamiau panagrinėkime išvardytus šilumos perdavimo tipus.

Šiluminis laidumas

Dažniausiai šilumos laidumas stebimas kietose medžiagose. Jei, veikiant bet kokiems veiksniams, toje pačioje medžiagoje atsiranda skirtingų temperatūrų sričių, tada šiluminė energija iš karštesnės vietos pereis į š altą. Kai kuriais atvejais šį reiškinį galima stebėti net vizualiai. Pavyzdžiui, jei paimsime metalinį strypą, tarkime, adatą, ir pakaitinsime ant ugnies, tai po kurio laiko pamatysime, kaip per adatą perduodama šiluminė energija, suformuojant švytėjimą tam tikroje srityje. Tuo pačiu metu toje vietoje, kur temperatūra aukštesnė, švytėjimas yra ryškesnis, o atvirkščiai, kur t yra mažesnis – tamsesnis. Šilumos laidumas taip pat gali būti stebimas tarp dviejų kūnų (puodelio karštos arbatos ir rankos)

Šilumos srauto perdavimo intensyvumas priklauso nuo daugelio faktorių, kurių santykį atskleidė prancūzų matematikas Furjė. Šie veiksniai pirmiausia apima temperatūros gradientą (temperatūrų skirtumo strypo galuose ir atstumo nuo vieno galo iki kito santykį), kūno skerspjūvio plotą ir šilumos laidumo koeficientą (visoms medžiagoms jis skiriasi, tačiau didžiausias pastebimas metaluose). Reikšmingiausias šilumos laidumo koeficientas stebimas varyje ir aliuminyje. Nenuostabu, kad šie du metalai dažniau naudojami elektros laidų gamyboje. Pagal Furjė dėsnį šilumos srautą galima padidinti arba sumažinti pakeitus vieną iš šių parametrų.

Konvekciniai šilumos perdavimo tipai

Konvekcija, kuri būdinga daugiausia dujoms ir skysčiams, susideda iš dviejų komponentų: tarpmolekulinio šilumos laidumo ir terpės judėjimo (pasiskirstymo). Konvekcijos veikimo mechanizmas pasireiškia taip: kylant skystos medžiagos temperatūrai, jos molekulės pradeda aktyviau judėti, o nesant erdvinių apribojimų didėja medžiagos tūris. Šio proceso pasekmė bus medžiagos tankio sumažėjimas ir jos judėjimas aukštyn. Ryškus konvekcijos pavyzdys yra radiatoriumi šildomo oro judėjimas nuo akumuliatoriaus iki lubų.

Atskirkite laisvojo ir priverstinio konvekcinio šilumos perdavimo tipus. Šilumos perdavimas ir masės judėjimas laisvuoju būdu atsiranda dėl medžiagos nevienalytiškumo, tai yra, karštas skystis pakyla virš š alto natūralaus.be išorinių jėgų (pvz., kambario šildymas centriniu šildymu). Esant priverstinei konvekcijai, masė juda veikiama išorinių jėgų, pavyzdžiui, maišant arbatą šaukštu.

Spinduliuojantis šilumos perdavimas

Spinduliavimo arba spinduliavimo šilumos perdavimas gali vykti be sąlyčio su kitu objektu ar medžiaga, todėl tai įmanoma net beorėje erdvėje (vakuume). Spinduliuotės šilumos perdavimas didesniu ar mažesniu mastu būdingas visiems kūnams ir pasireiškia nepertraukiamo spektro elektromagnetinių bangų pavidalu. Puikus to pavyzdys yra saulė. Veikimo mechanizmas yra toks: kūnas nuolat skleidžia tam tikrą šilumos kiekį į jį supančią erdvę. Kai ši energija atsitrenkia į kitą objektą ar medžiagą, dalis jos absorbuojama, antroji dalis praeina, o trečioji dalis atsispindi aplinkoje. Bet kuris objektas gali ir spinduliuoti šilumą, ir sugerti, o tamsios medžiagos gali sugerti daugiau šilumos nei šviesios.

Kombinuoti šilumos perdavimo mechanizmai

Gamtoje šilumos perdavimo procesų tipai retai sutinkami atskirai. Daug dažniau juos galima pamatyti kartu. Termodinamikoje šie deriniai netgi turi pavadinimus, pavyzdžiui, šilumos laidumas + konvekcija yra konvekcinis šilumos perdavimas, o šilumos laidumas + šiluminė spinduliuotė vadinama radiaciniu-laidžiu šilumos perdavimu. Be to, yra tokių kombinuotų šilumos perdavimo tipų:

• Šilumos išsklaidymas –šiluminės energijos judėjimas tarp dujų ar skysčio ir kietos medžiagos.
• Šilumos perdavimas yra t perdavimas iš vienos medžiagos į kitą per mechaninę kliūtį.
• Konvekcinis-spinduliuojantis šilumos perdavimas susidaro derinant konvekciją ir šiluminę spinduliuotę.

Šilumos perdavimo gamtoje tipai (pavyzdžiai)

Šilumos perdavimas gamtoje vaidina didžiulį vaidmenį ir neapsiriboja Žemės rutulio kaitinimu saulės spinduliais. Didelės konvekcinės srovės, tokios kaip oro masių judėjimas, daugiausia lemia orą visoje mūsų planetoje.

Žemės šerdies šilumos laidumas lemia geizerių atsiradimą ir ugnikalnių uolienų išsiveržimą. Tai tik keli šilumos perdavimo pasauliniu mastu pavyzdžiai. Kartu jie sudaro konvekcinio šilumos perdavimo ir spinduliuotei laidaus šilumos perdavimo tipus, būtinus gyvybei mūsų planetoje palaikyti.

Šilumos perdavimo panaudojimas antropologinėje veikloje

Šiluma yra svarbi beveik visų gamybos procesų sudedamoji dalis. Sunku pasakyti, kokio tipo šilumos mainus žmogus naudoja daugiausiai šalies ūkyje. Tikriausiai visi trys vienu metu. Šilumos perdavimo procesai naudojami metalams lydyti, gaminant daugybę prekių – nuo kasdienių daiktų iki erdvėlaivių.

Civilizacijai nepaprastai svarbūs šiluminiai įrenginiai, galintys paversti šiluminę energiją naudingąja galia. Tarpjuos galima vadinti benzininiais, dyzeliniais, kompresoriniais, turbininiais agregatais. Savo darbui jie naudoja skirtingus šilumos perdavimo būdus.