Kaj je prenos toplote? Prenos toplote v naravi in ​​tehnologiji

Govorimo o prenosu toplote. S tem izrazom mislimo na proces prenosa energije v snovi. Zanj je značilen kompleksen mehanizem, ki ga opisuje enačba toplotne prevodnosti.

Vrste prenosa toplote

Kako je razdeljen prenos toplote? Toplotna prevodnost, konvekcija, sevanje so tri vrste prenosa energije, ki obstajajo v naravi.

Vsak od njih ima svoje lastne značilnosti, funkcije, aplikacije v tehnologiji.

Toplotna prevodnost

Po količini toplote pomeni vsoto kinetične energije molekul. Del trde toplote lahko prenesejo v hladne delce v trčenju. Toplotna prevodnost je največja v trdnih snoveh, manj značilna za tekočine, ki niso absolutno značilne za plinaste snovi.

Kot primer, ki potrjuje sposobnost trdnih snovi za prenos toplote iz ene na drugo mesto, upoštevajte naslednji eksperiment.

Če je kovinska žica fiksirana s kovinskimi gumbi, nato pa konec žice sprožite žarnico, postopoma gumbe z nje začnejo padati. Ko se segrejejo, se molekule začnejo premikati hitreje in pogosto trčijo med seboj. Te delce, ki oddajajo svojo energijo in toploto v hladnejše regije. Če tekočina in plin ne zagotavljata dovolj hitrega odvoda toplote, to povzroči močno povečanje temperaturnega gradienta v vročem območju.

Toplotno sevanje

Na vprašanje o tem, kakšen prenos toplote spremlja prenos energije, je treba to metodo opozoriti. Prenos sevanje vključuje prenos energije z elektromagnetnim sevanjem. Ta varianta je opazovana pri temperaturi 4000 K, ki je opisana z enačbo toplotne prevodnosti. Koeficient absorpcije je odvisen od kemijske sestave, temperature in gostote specifičnega plina.

Prenos toplote zraka ima določeno mejo, saj se pretok energije povečuje, gradient temperature se poveča, koeficient absorpcije se poveča. Ko vrednost gradienta preseže adiabatični gradient, se bo pojavila konvekcija.

Kaj je prenos toplote? To je fizični proces prenosa energije iz vročega predmeta v hladni predmet z neposrednim stikom ali prek particije, ki ločuje materiale.

Če imajo telesa enega sistema različne temperature, potem proces prenosa energije poteka, dokler se med njimi ne vzpostavlja termodinamično ravnotežje.

Funkcije prenosa toplote

Kaj je prenos toplote? Katere so značilnosti tega pojava? Ni mogoče popolnoma ustaviti, ali lahko le zmanjšamo stopnjo pretoka? Ali se prenos toplote uporablja v naravi in ​​tehnologiji? Gre za izmenjavo toplote, ki spremlja in karakterizira številne naravne pojave: evolucijo planetov in zvezd, meteorološke procese na površju našega planeta. Na primer, skupaj s masovno izmenjavo, proces prenosa toplote omogoča analizo hlajenja hlapov, sušenja, difuzije. Izvaja se med dvema nosilcema toplotne energije skozi trdno steno, ki deluje kot vmesnik teles.

Prenos toplote v naravi in ​​tehnologiji je način karakterizacije stanja posameznega telesa, ki analizira lastnosti termodinamičnega sistema.

Fourierov zakon

Imenuje se zakon toplotne prevodnosti, ker povezuje skupno moč toplotne izgube, temperaturno razliko s površino paralelepipeda, njegovo dolžino in tudi s koeficientom toplotne prevodnosti. Na primer, za vakuum je ta kazalnik praktično nič. Razlog za ta pojav je minimalna koncentracija materialnih delcev v vakuumu, ki lahko prenaša toploto. Kljub podobni funkciji v vakuumu obstaja varianta prenosa energije s sevanjem. Uporaba prenosa toplote se obravnava na podlagi termosov. Stene so izdelane dvojno, da bi povečali proces refleksije. Med njimi je izčrpal zrak, hkrati pa zmanjšal izgubo toplote.

Konvekcija

Na vprašanje o tem, kaj je prenos toplote, upoštevajte proces prenosa toplote v tekočinah ali plinih s spontanim ali prisilnim mešanjem. V primeru prisilne konvekcije gibanje snovi povzroča delovanje zunanjih sil: lopatic ventilatorja, črpalka. Podobna možnost se uporablja v tistih primerih, kjer naravna konvekcija ni učinkovita.

Naravni proces je opazen v tistih primerih, ko se med neenakim segrevanjem spodnje plasti snovi segrejejo. Njihova gostota se zmanjša, gredo gor. Zgornje plasti, na drugi strani, so ohlajene, težje, nižje navzdol. Nadalje se postopek večkrat ponavlja, z mešanjem pa se v strukturi vortik se opazuje samoorganizacija, iz konvekcijskih celic pa se tvori pravilna riba.

Zaradi naravne konvekcije nastajajo oblaki, padavine atmosferskih padavin, gibanje tektonskih plošč. S konvekcijo na soncu oblikujejo granule.

Pravilna uporaba prenosa toplote zagotavlja minimalno toplotno izgubo, maksimalno porabo.

Bistvo konvekcije

Za razlago konvekcije lahko uporabimo Archimedesovo pravo in tudi toplotna širitev trdne snovi in ​​tekočine. Ko se temperatura dvigne, se volumen tekočine poveča, gostota se zmanjša. Pod vplivom Archimedove sile se lahka (segreta) tekočina nagiba navzgor in hladni (gosti) plasti padejo, postopoma segrevajo.

Če se tekočina segreva od zgoraj, topla tekočina ostane v začetnem položaju, zato konvekcija ni opazna. Tako teče tekočina, ki jo spremlja prenos energije iz ogrevanih območij na mrzla mesta. V plinih konvekcija poteka s podobnim mehanizmom.

S termodinamičnega vidika se konvekcija šteje kot varianta prenosa toplote, pri kateri prenos notranje energije poteka po ločenih tokovih neenakomerno segretih snovi. Podoben pojav se dogaja v naravi in ​​v vsakdanjem življenju. Na primer, grelni radiatorji so nameščeni na najnižji višini od tal, v bližini okenske police.

Hladni zrak segreva akumulator, nato se postopno dvigne, kjer se zmeša s hladnimi zrakami, ki prihajajo od okna. Konvekcija vodi k vzpostavitvi enotne temperature v prostoru.

Med običajnimi primeri atmosferske konvekcije so vetrovi: monsun, breeze. Zrak, ki se segreje nad določenimi delci Zemlje, se ohladi nad ostalimi, zaradi česar pride do njene kroženja, prenese se vlaga in energija.

Značilnosti naravne konvekcije

Na to vplivajo številni dejavniki. Na primer, dnevno gibanje Zemlje, morski tokovi in ​​površinski relief vplivajo na hitrost naravne konvekcije. To je konvekcija, ki je osnova za izhod iz kraterjev vulkana in cevi dimov, tvorjenje gorskih plavin, plavajočih različnih ptic.

Na koncu

Termično sevanje je elektromagnetni proces z neprekinjenim spektrom, ki ga oddaja snovi, izhaja iz notranje energije. Za izvedbo izračunov toplotnega sevanja se v fiziki uporablja črni model telesa. Termično sevanje je opisano z uporabo zakona Stefan-Boltzmann. Sevanje moči takega telesa je neposredno sorazmerno površini in telesni temperaturi, ki se prenese na četrto moč.

Termična prevodnost je možna v vseh telesih, ki imajo neenakomerno porazdelitev temperature. Bistvo tega pojava je spreminjanje kinetične energije molekul in atomov, ki določa temperaturo telesa. V nekaterih primerih se toplotna prevodnost šteje za količinsko sposobnost določene snovi za vodenje toplote.

Lestvični procesi izmenjave toplotne energije niso omejeni na ogrevanje zemeljske površine s sončnim obsevanjem.

Za resne konvekcijske tokove v zemeljski atmosferi so značilne spremembe na celotnem planetu vremenskih razmer. Ko se temperatura v atmosferi med polarnim in ekvatorialnim območjem pojavlja, nastanejo konvektivni tokovi: curki, trgovinski vetrovi, hladne in tople fronte.

Prenos toplote iz zemeljskega jedra na površino povzroča vulkanske izbruhe, nastanek gejzirjev. V mnogih regijah se geotermalna energija uporablja za proizvodnjo električne energije, ogrevanje stanovanjskih in industrijskih prostorov.

Gre za toploto, ki postane obvezen udeleženec v številnih proizvodnih tehnologijah. Na primer predelava in plinjenje kovin, proizvodnja hrane, rafiniranje olja, delovanje motorja - vse to se izvaja samo ob prisotnosti toplotne energije.