Bilo koje materijalno tijelo posjeduje takvokarakteristično kao toplina, koja se može povećavati i smanjivati. Toplina nije materijalna tvar: kao dio unutarnje energije tvari nastaje kao rezultat kretanja i interakcije molekula. Budući da se toplina različitih tvari može razlikovati, dolazi do procesa prijenosa topline s toplije tvari u tvari s manje topline. Taj se postupak naziva prijenos topline. Glavne vrste prijenosa topline i mehanizmi njihovog djelovanja razmotrit ćemo u ovom članku.
Prijenos topline ili proces prijenosa temperature,mogu se pojaviti i unutar materije i od jedne tvari do druge. Istodobno, intenzitet prijenosa topline uvelike ovisi o fizičkim svojstvima materije, temperaturi tvari (ako je nekoliko tvari uključeno u prijenos topline) i zakonima fizike. Prijenos topline je proces koji se uvijek odvija jednostrano. Glavni princip prijenosa topline je da najgrijano tijelo uvijek ispušta toplinu na objekt s nižom temperaturom. Na primjer, prilikom peglanja odjeće vruće glačalo odaje toplinu hlača, a ne obrnuto. Prijenos topline je vremenski ovisan fenomen koji karakterizira nepovratnu raspodjelu topline u prostoru.
Mehanizmi toplinske interakcije tvari mogu imati različite oblike. Poznate su tri vrste prijenosa topline u prirodi:
Razmotrite nabrojane vrste prijenosa topline detaljnije.
Najčešće se toplinska vodljivost opaža u krutiniTijela. Ako pod utjecajem bilo kojeg čimbenika ista tvar ima područja s različitim temperaturama, tada će toplinska energija iz zagrijanijeg područja preći u hladnu. U nekim se slučajevima sličan fenomen može primijetiti čak i vizualno. Na primjer, ako uzmemo metalnu šipku, recimo, iglu i zagrijemo je na vatri, tada ćemo nakon nekog vremena vidjeti kako se toplinska energija prenosi putem igle, tvoreći sjaj na određenom području. Štoviše, na mjestu gdje je temperatura viša, sjaj je svjetliji, i obrnuto, gdje je t niža, tamnija je. Toplinska provodljivost također se može primijetiti između dvaju tijela (šalica vrućeg čaja i šaka)
Brzina prijenosa topline ovisiiz mnogih čimbenika, čiji je omjer otkrio francuski matematičar Fourier. Ti čimbenici uključuju prvenstveno temperaturni gradijent (omjer temperaturne razlike na krajevima štapa i udaljenosti od jednog do drugog kraja), površinu presjeka tijela i koeficijent toplinske vodljivosti (on je različit za sve tvari, ali najveći je promatran kod metala). Najznačajnija toplinska vodljivost uočena je za bakar i aluminij. Nije iznenađujuće da se ova dva metala češće koriste u proizvodnji električnih žica. Prema Fourierovom zakonu, toplinski tok se može povećati ili smanjiti promjenom jednog od ovih parametara.
Konvekcija, svojstvena uglavnom plinovima itekućine, ima dvije komponente: intermolekularnu toplinsku provodljivost i kretanje (distribuciju) medija. Mehanizam djelovanja konvekcije je sljedeći: kako temperatura tekuće tvari raste, njegove se molekule počinju aktivnije kretati, a u nedostatku prostornih ograničenja, povećava se volumen neke tvari. Posljedica ovog postupka bit će smanjenje gustoće tvari i njezino kretanje prema gore. Upečatljiv primjer konvekcije je kretanje zraka zagrijanog radijatorom od akumulatora do stropa.
Razlikovati između slobodne i prisilne konvektivevrste prijenosa topline. Prijenos topline i kretanje mase u slobodnom tipu nastaju zbog nehomogenosti tvari, odnosno vruća se tekućina diže iznad hladnoće prirodno bez utjecaja vanjskih sila (na primjer, grijanje prostorije centralnim grijanjem). U prisilnoj konvekciji kretanje mase događa se pod utjecajem vanjskih sila, na primjer, miješanje čaja žlicom.
Može doći do zračenja ili prijenosa topline zračenjanastaju bez dodira s drugim predmetom ili tvarom, stoga je moguće i u prostoru bez zraka (vakuumu). Zračni prijenos topline je svojstven svim tijelima u većoj ili manjoj mjeri i očituje se u obliku elektromagnetskih valova kontinuiranog spektra. Upečatljiv primjer toga su sunčeve zrake. Mehanizam djelovanja je sljedeći: tijelo kontinuirano zrači određenu količinu topline u prostor koji ga okružuje. Kad ta energija dospije u drugi objekt ili tvar, jedan dio se apsorbira, drugi dio prolazi, a treći se odražava u okolišu. Bilo koji objekt može i zračiti toplinu i apsorbirati, dok tamne tvari mogu apsorbirati više topline od svijetlih.
U prirodi su tipovi procesa prijenosa topline rijetkisusreću se odvojeno. Češće se mogu primijetiti u agregatu. U termodinamici ove kombinacije imaju čak i nazive, recimo, toplinska vodljivost + konvekcija - to je konvektivni prijenos topline, a toplinska provodljivost + toplinsko zračenje naziva se zračenjem provodljivim prijenosom topline. Pored toga, razlikuju se takve kombinirane vrste izmjene topline kao:
Prijenos topline u prirodi igra veliku ulogu i nema jeograničena zagrijavanjem zemaljske kugle sunčevim zrakama. Opsežne konvekcijske struje, poput kretanja zračnih masa, uvelike određuju vrijeme na cijelom našem planetu.
Toplinska vodljivost Zemljine jezgre dovodi do pojavegejziri i vulkanske erupcije. Ovo je samo nekoliko primjera globalnog prijenosa topline. Zajedno tvore vrste konvektivnog prijenosa topline i zračenja koji provode zračenje potrebne vrste za održavanje života na našem planetu.
Toplina je važan sastojak gotovo svihproizvodni procesi. Teško je reći koja se vrsta ljudske izmjene topline najviše koristi u nacionalnom gospodarstvu. Vjerojatno sve tri istovremeno. Zahvaljujući procesima prijenosa topline, metali se tope, proizvodi se ogromna količina robe, od svakodnevnih predmeta do svemirskih brodova.
Izuzetno su važni za civilizacijutoplinske jedinice sposobne pretvoriti toplinsku energiju u korisnu snagu. Među njima su benzin, dizel, kompresor, turbinske jedinice. Za svoj rad koriste se raznim vrstama prijenosa topline.
