Każde materialne ciało ma takiecharakterystyczny jako ciepło, które może rosnąć i maleć. Ciepło nie jest substancją materialną: jako część wewnętrznej energii substancji powstaje w wyniku ruchu i interakcji cząsteczek. Ponieważ ciepło różnych substancji może się różnić, zachodzi proces przenoszenia ciepła z cieplejszej substancji do substancji o mniejszej ilości ciepła. Ten proces nazywa się przenoszeniem ciepła. Główne rodzaje wymiany ciepła i mechanizmy ich działania rozważymy w tym artykule.
Proces wymiany ciepła lub transferu temperatury,może wystąpić zarówno w materii, jak i od jednej substancji do drugiej. Jednocześnie intensywność wymiany ciepła w dużej mierze zależy od właściwości fizycznych materii, temperatury substancji (jeśli w przenoszeniu ciepła bierze udział kilka substancji) i praw fizyki. Transfer ciepła jest procesem, który zawsze przebiega jednostronnie. Główną zasadą wymiany ciepła jest to, że najbardziej nagrzane ciało zawsze oddaje ciepło obiektowi o niższej temperaturze. Na przykład podczas prasowania odzieży gorące żelazko oddaje ciepło do spodni, a nie odwrotnie. Przenikanie ciepła jest zjawiskiem zależnym od czasu, które charakteryzuje nieodwracalny rozkład ciepła w przestrzeni.
Mechanizmy termicznej interakcji substancji mogą przybierać różne formy. Znane są trzy rodzaje wymiany ciepła w przyrodzie:
Rozważ bardziej szczegółowo wymienione rodzaje wymiany ciepła.
Najczęściej przewodność cieplna jest obserwowana w ciele stałymciała. Jeśli pod wpływem jakichkolwiek czynników ta sama substancja ma obszary o różnych temperaturach, wówczas energia cieplna z bardziej ogrzewanego obszaru przejdzie na zimno. W niektórych przypadkach podobne zjawisko można zaobserwować nawet wizualnie. Na przykład, jeśli weźmiemy metalowy pręt, powiedzmy igłę, i podgrzamy go nad ogniem, to po pewnym czasie zobaczymy, jak energia cieplna jest przenoszona przez igłę, tworząc blask w pewnym obszarze. Ponadto w miejscu, w którym temperatura jest wyższa, blask jest jaśniejszy, a odwrotnie, gdzie t jest niższy, jest ciemniejszy. Przewodność cieplną można również zaobserwować między dwoma ciałami (kubek gorącej herbaty i dłoń)
Szybkość wymiany ciepła zależyz wielu czynników, których stosunek został ujawniony przez francuskiego matematyka Fouriera. Czynniki te obejmują przede wszystkim gradient temperatury (stosunek różnicy temperatur na końcach pręta do odległości od jednego końca do drugiego), pole przekroju ciała i współczynnik przewodności cieplnej (jest różny dla wszystkich substancji, ale najwyższy obserwuje się dla metali). Najbardziej znaczące przewodnictwo cieplne obserwuje się dla miedzi i aluminium. Nic dziwnego, że te dwa metale są częściej stosowane w produkcji drutów elektrycznych. Zgodnie z prawem Fouriera strumień ciepła można zwiększyć lub zmniejszyć, zmieniając jeden z tych parametrów.
Konwekcja, charakterystyczna głównie dla gazów iciecze, ma dwa składniki: przewodnictwo cieplne międzycząsteczkowe i ruch (propagacja) ośrodka. Mechanizm działania konwekcji jest następujący: wraz ze wzrostem temperatury płynnej substancji jej cząsteczki zaczynają poruszać się bardziej aktywnie, a przy braku ograniczeń przestrzennych zwiększa się objętość substancji. Konsekwencją tego procesu będzie spadek gęstości substancji i jej ruch w górę. Uderzającym przykładem konwekcji jest ruch powietrza ogrzewanego przez grzejnik z akumulatora do sufitu.
Rozróżnij między konwekcją swobodną i wymuszonąrodzaje wymiany ciepła. Przenoszenie ciepła i ruch masy w typie swobodnym występuje z powodu niejednorodności substancji, to znaczy gorąca ciecz unosi się naturalnie powyżej zimna bez wpływu sił zewnętrznych (na przykład ogrzewanie pomieszczenia przez centralne ogrzewanie). W wymuszonej konwekcji ruch masy zachodzi pod wpływem sił zewnętrznych, na przykład mieszając herbatę łyżką.
Promieniowanie lub promieniowanie ciepła możewystępują bez kontaktu z innym przedmiotem lub substancją, dlatego jest to możliwe nawet w przestrzeni pozbawionej powietrza (próżnia). Promieniowanie przenikanie ciepła jest nieodłącznie związane ze wszystkimi ciałami w większym lub mniejszym stopniu i objawia się w postaci fal elektromagnetycznych o ciągłym spektrum. Uderzającym tego przykładem są promienie słoneczne. Mechanizm działania jest następujący: ciało nieustannie emituje pewną ilość ciepła do otaczającej go przestrzeni. Kiedy ta energia spada na inny przedmiot lub substancję, jej część zostaje pochłonięta, druga część przechodzi, a trzecia odbija się w otoczeniu. Każdy przedmiot może zarówno promieniować, jak i pochłaniać ciepło, podczas gdy ciemne substancje mogą pochłaniać więcej ciepła niż światła.
W naturze rodzaje procesów wymiany ciepła są rzadkiespotykają się osobno. Częściej można je zaobserwować łącznie. W termodynamice kombinacje te mają nawet nazwy, powiedzmy, przewodnictwo cieplne + konwekcja - jest to konwekcyjne przenoszenie ciepła, a przewodnictwo cieplne + promieniowanie cieplne nazywa się przewodzeniem promieniowania przewodzącego promieniowanie. Ponadto takie połączone rodzaje wymiany ciepła wyróżnia się jako:
Przenikanie ciepła w przyrodzie odgrywa ogromną rolę, a nieogranicza się do ogrzewania globu promieniami słonecznymi. Rozległe prądy konwekcyjne, takie jak ruch mas powietrza, w dużej mierze determinują pogodę na naszej planecie.
Prowadzi do tego przewodność cieplna jądra Ziemigejzery i erupcje wulkanów. To tylko kilka przykładów wymiany ciepła w skali globalnej. Razem tworzą rodzaje konwekcyjnego przenoszenia ciepła i przewodzące promieniowanie rodzaje przenoszenia ciepła niezbędne do utrzymania życia na naszej planecie.
Ciepło jest ważnym składnikiem prawie każdegoprocesy produkcyjne. Trudno powiedzieć, jaki rodzaj wymiany ciepła jest najczęściej wykorzystywany przez osobę w gospodarce narodowej. Prawdopodobnie wszystkie trzy jednocześnie. Dzięki procesom wymiany ciepła metal jest wytapiany, powstaje ogromna ilość towarów, od przedmiotów codziennego użytku po statki kosmiczne.
Istotne dla cywilizacji sąjednostki termiczne zdolne do przekształcania energii cieplnej w siłę użytkową. Wśród nich można wymienić benzynę, olej napędowy, sprężarkę, turbiny. Do swojej pracy wykorzystują różne rodzaje wymiany ciepła.
