Typy prestupu tepla: koeficient prestupu tepla

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Naposledy zmenené: 2023-12-17 10:39

Akékoľvek hmotné telo má takú charakteristiku, ako je teplo, ktoré sa môže zvyšovať a znižovať. Teplo nie je hmotná látka: ako súčasť vnútornej energie látky vzniká v dôsledku pohybu a interakcie molekúl. Pretože teplo rôznych látok sa môže líšiť, existuje proces prenosu tepla z teplejšej látky na látku s menším teplom. Tento proces sa nazýva prenos tepla. V tomto článku zvážime hlavné typy prenosu tepla a mechanizmy ich pôsobenia.

Určenie prenosu tepla

Prenos tepla alebo proces prenosu teploty môže prebiehať vo vnútri hmoty aj z jednej látky do druhej. Intenzita prestupu tepla zároveň do značnej miery závisí od fyzikálnych vlastností hmoty, teploty látok (ak sa na prenose tepla podieľa viacero látok) a fyzikálnych zákonov. Prenos tepla je proces, ktorý vždy prebieha jednostranne. Hlavným princípom prenosu tepla je, že najhorúcejšie teleso vždy odovzdáva teplo objektu s nižšou teplotou. Napríklad pri žehlení odevov horúcou žehličkoudodáva teplo nohaviciam a nie naopak. Prenos tepla je časovo závislý jav, ktorý charakterizuje nezvratné rozloženie tepla v priestore.

Mechanizmy prenosu tepla

Mechanizmy tepelnej interakcie látok môžu mať rôzne podoby. V prírode existujú tri typy prenosu tepla:

1. Tepelná vodivosť je mechanizmus medzimolekulového prenosu tepla z jednej časti tela do druhej alebo do iného objektu. Táto vlastnosť je založená na nehomogenite teploty v posudzovaných látkach.
2. Konvekcia - výmena tepla medzi tekutými médiami (kvapalina, vzduch).
3. Pôsobenie žiarenia je prenos tepla z ohriatych a ohriatych telies (zdrojov) v dôsledku ich energie vo forme elektromagnetických vĺn s konštantným spektrom.

Pozrime sa na uvedené typy prenosu tepla podrobnejšie.

Tepelná vodivosť

Tepelná vodivosť sa najčastejšie pozoruje v pevných látkach. Ak sa pod vplyvom akýchkoľvek faktorov objavia v tej istej látke oblasti s rôznymi teplotami, potom tepelná energia z teplejšej oblasti prejde do studenej. V niektorých prípadoch možno tento jav pozorovať aj vizuálne. Napríklad, ak vezmeme kovovú tyč, povedzme, ihlu a zahrejeme ju na oheň, potom po určitom čase uvidíme, ako sa tepelná energia prenáša cez ihlu a vytvára žiaru v určitej oblasti. Zároveň na mieste, kde je vyššia teplota, je žiara jasnejšia a naopak, kde je t nižšie, je tmavšia. Vedenie tepla možno pozorovať aj medzi dvoma telami (hrnček horúceho čaju a ruka)

Intenzita prenosu tepelného toku závisí od mnohých faktorov, ktorých pomer odhalil francúzsky matematik Fourier. Medzi tieto faktory patrí predovšetkým teplotný gradient (pomer teplotného rozdielu na koncoch tyče k vzdialenosti od jedného konca k druhému), plocha prierezu tela a koeficient tepelnej vodivosti (je rozdielna pre všetky látky, no najvyššia je pozorovaná pri kovoch). Najvýznamnejší koeficient tepelnej vodivosti sa pozoruje pri medi a hliníku. Nie je prekvapujúce, že tieto dva kovy sa častejšie používajú pri výrobe elektrických drôtov. Podľa Fourierovho zákona možno tepelný tok zvýšiť alebo znížiť zmenou jedného z týchto parametrov.

Konvekčné typy prenosu tepla

Konvekcia, ktorá je charakteristická hlavne pre plyny a kvapaliny, má dve zložky: medzimolekulovú tepelnú vodivosť a pohyb (distribúciu) média. Mechanizmus účinku konvekcie nastáva takto: so zvýšením teploty tekutej látky sa jej molekuly začnú pohybovať aktívnejšie a pri absencii priestorových obmedzení sa objem látky zväčší. Dôsledkom tohto procesu bude zníženie hustoty látky a jej pohyb nahor. Pozoruhodným príkladom konvekcie je pohyb vzduchu ohrievaného radiátorom z batérie na strop.

Rozlišujte medzi voľnými a nútenými konvekčnými typmi prenosu tepla. Prenos tepla a pohyb hmoty vo voľnom type nastáva v dôsledku heterogenity látky, to znamená, že horúca kvapalina stúpa nad studenú prirodzenúspôsobom bez ovplyvnenia vonkajšími silami (napr. vykurovanie miestnosti ústredným kúrením). Pri nútenej konvekcii dochádza k pohybu hmoty vplyvom vonkajších síl, napríklad miešaním čaju lyžičkou.

Prenos tepla sálaním

Prenos tepla sálaním alebo sálaním môže prebiehať bez kontaktu s iným predmetom alebo látkou, preto je možný aj v bezvzduchovom priestore (vákuum). Prenos tepla sálaním je vo väčšej či menšej miere vlastný všetkým telesám a prejavuje sa vo forme elektromagnetických vĺn so spojitým spektrom. Typickým príkladom toho je slnko. Mechanizmus účinku je nasledujúci: telo neustále vyžaruje určité množstvo tepla do priestoru, ktorý ho obklopuje. Keď táto energia zasiahne iný predmet alebo látku, časť sa pohltí, druhá časť prejde a tretia časť sa odrazí do okolia. Akýkoľvek predmet môže vyžarovať teplo aj absorbovať, zatiaľ čo tmavé látky sú schopné absorbovať viac tepla ako svetlé.

Kombinované mechanizmy prenosu tepla

V prírode sa typy procesov prenosu tepla zriedka vyskytujú oddelene. Oveľa častejšie ich možno vidieť spolu. V termodynamike majú tieto kombinácie dokonca názvy, napríklad tepelná vodivosť + prúdenie je konvekčný prenos tepla a tepelná vodivosť + tepelné žiarenie sa nazýva sálavo-vodivý prenos tepla. Okrem toho existujú také kombinované typy prenosu tepla ako:

• Odvádzanie tepla -pohyb tepelnej energie medzi plynom alebo kvapalinou a pevnou látkou.
• Prenos tepla je prenos t z jednej hmoty do druhej cez mechanickú prekážku.
• Prenos tepla konvekciou-sálanie vzniká spojením konvekcie a tepelného žiarenia.

Typy prenosu tepla v prírode (príklady)

Prenos tepla v prírode zohráva obrovskú úlohu a neobmedzuje sa len na zahrievanie zemegule slnečnými lúčmi. Rozsiahle konvekčné prúdy, ako napríklad pohyb vzdušných más, do značnej miery určujú počasie na celej našej planéte.

Tepelná vodivosť zemského jadra vedie k objaveniu sa gejzírov a erupcii sopečných hornín. Toto je len niekoľko príkladov prenosu tepla v celosvetovom meradle. Spolu tvoria typy konvekčného prenosu tepla a radiačno-vodivé typy prenosu tepla potrebné na udržanie života na našej planéte.

Využitie prenosu tepla v antropologických aktivitách

Teplo je dôležitou súčasťou takmer všetkých výrobných procesov. Ťažko povedať, ktorý typ výmeny tepla človek v národnom hospodárstve využíva najviac. Pravdepodobne všetky tri naraz. Procesy prenosu tepla sa používajú na tavenie kovov, čím sa vyrába obrovské množstvo tovaru od každodenných predmetov až po kozmické lode.

Pre civilizáciu sú mimoriadne dôležité tepelné jednotky schopné premieňať tepelnú energiu na užitočnú energiu. Medzimôžu byť nazývané benzínové, naftové, kompresorové, turbínové jednotky. Na svoju prácu využívajú rôzne druhy prenosu tepla.