Soorten warmteoverdracht: warmteoverdrachtscoëfficiënt

2024 Auteur: Howard Calhoun | [email protected]. Laatst gewijzigd: 2023-12-17 10:36

Elk materieel lichaam heeft zo'n eigenschap als warmte, die kan toenemen en afnemen. Warmte is geen materiële substantie: als onderdeel van de interne energie van een substantie, ontstaat het als gevolg van de beweging en interactie van moleculen. Omdat de warmte van verschillende stoffen kan verschillen, is er een proces waarbij warmte wordt overgedragen van een hetere stof naar een stof met minder warmte. Dit proces wordt warmteoverdracht genoemd. We zullen in dit artikel de belangrijkste soorten warmteoverdracht en de mechanismen van hun werking bekijken.

Bepaling van warmteoverdracht

Warmteoverdracht, of het proces van temperatuuroverdracht, kan zowel in de materie als van de ene stof naar de andere plaatsvinden. Tegelijkertijd hangt de intensiteit van warmteoverdracht grotendeels af van de fysische eigenschappen van materie, de temperatuur van stoffen (als meerdere stoffen deelnemen aan warmteoverdracht) en de wetten van de fysica. Warmteoverdracht is een proces dat altijd eenzijdig verloopt. Het belangrijkste principe van warmteoverdracht is dat het heetste lichaam altijd warmte afgeeft aan een object met een lagere temperatuur. Bijvoorbeeld bij het strijken van kleding, een heet strijkijzergeeft warmte aan de broek en niet andersom. Warmteoverdracht is een tijdsafhankelijk fenomeen dat de onomkeerbare verdeling van warmte in de ruimte kenmerkt.

Warmteoverdrachtsmechanismen

Mechanismen van thermische interactie van stoffen kunnen verschillende vormen aannemen. Er zijn drie soorten warmteoverdracht in de natuur:

1. Thermische geleidbaarheid is een mechanisme van intermoleculaire warmteoverdracht van het ene deel van het lichaam naar het andere of naar een ander object. De eigenschap is gebaseerd op de inhomogeniteit van de temperatuur in de betreffende stoffen.
2. Convectie - warmte-uitwisseling tussen vloeibare media (vloeistof, lucht).
3. Stralingsactie is de overdracht van warmte van verwarmde en verwarmde lichamen (bronnen) vanwege hun energie in de vorm van elektromagnetische golven met een constant spectrum.

Laten we de vermelde soorten warmteoverdracht in meer detail bekijken.

Thermische geleidbaarheid

Meestal wordt thermische geleidbaarheid waargenomen in vaste stoffen. Als, onder invloed van welke factoren dan ook, gebieden met verschillende temperaturen in dezelfde stof verschijnen, dan zal thermische energie van een heter gebied overgaan naar een koud gebied. In sommige gevallen kan dit fenomeen zelfs visueel worden waargenomen. Als we bijvoorbeeld een metalen staaf nemen, laten we zeggen een naald, en deze in brand steken, dan zullen we na enige tijd zien hoe thermische energie door de naald wordt overgedragen en een gloed in een bepaald gebied vormt. Tegelijkertijd, op een plaats waar de temperatuur hoger is, is de gloed helderder en, omgekeerd, waar t lager is, is het donkerder. Warmtegeleiding kan ook worden waargenomen tussen twee lichamen (een mok hete thee en een hand)

De intensiteit van de overdracht van warmteflux hangt af van vele factoren, waarvan de verhouding werd onthuld door de Franse wiskundige Fourier. Deze factoren omvatten voornamelijk de temperatuurgradiënt (de verhouding van het temperatuurverschil aan de uiteinden van de staaf tot de afstand van het ene uiteinde tot het andere), het dwarsdoorsnede-oppervlak van het lichaam en de thermische geleidbaarheidscoëfficiënt (het is voor alle stoffen anders, maar het hoogste wordt waargenomen in metalen). De belangrijkste thermische geleidbaarheidscoëfficiënt wordt waargenomen in koper en aluminium. Het is niet verwonderlijk dat deze twee metalen vaker worden gebruikt bij de vervaardiging van elektrische draden. Volgens de wet van Fourier kan de warmtestroom worden verhoogd of verlaagd door een van deze parameters te wijzigen.

Convectie soorten warmteoverdracht

Convectie, dat vooral kenmerkend is voor gassen en vloeistoffen, heeft twee componenten: intermoleculaire thermische geleidbaarheid en beweging (verdeling) van het medium. Het werkingsmechanisme van convectie vindt als volgt plaats: met een toename van de temperatuur van een vloeibare stof, beginnen de moleculen ervan actiever te bewegen en bij afwezigheid van ruimtelijke beperkingen neemt het volume van de stof toe. Het gevolg van dit proces is een afname van de dichtheid van de stof en zijn opwaartse beweging. Een treffend voorbeeld van convectie is de beweging van door een radiator verwarmde lucht van een batterij naar het plafond.

Onderscheid maken tussen vrije en geforceerde convectieve soorten warmteoverdracht. Warmteoverdracht en massabeweging in het vrije type vindt plaats vanwege de heterogeniteit van de stof, dat wil zeggen, de hete vloeistof stijgt boven de koude natuurlijkemanier zonder beïnvloed te worden door externe krachten (bijvoorbeeld het verwarmen van een kamer met centrale verwarming). Bij geforceerde convectie vindt de beweging van de massa plaats onder invloed van externe krachten, bijvoorbeeld het roeren van thee met een lepel.

Stralende warmteoverdracht

Stralings- of stralingswarmteoverdracht kan plaatsvinden zonder contact met een ander object of stof, daarom is het zelfs mogelijk in een luchtloze ruimte (vacuüm). Stralingswarmteoverdracht is in meer of mindere mate inherent aan alle lichamen en manifesteert zich in de vorm van elektromagnetische golven met een continu spectrum. Een goed voorbeeld hiervan is de zon. Het werkingsmechanisme is als volgt: het lichaam stra alt continu een bepaalde hoeveelheid warmte uit naar de ruimte eromheen. Wanneer deze energie een ander object of substantie raakt, wordt een deel ervan geabsorbeerd, het tweede deel passeert en het derde deel wordt gereflecteerd in de omgeving. Elk object kan zowel warmte uitstralen als absorberen, terwijl donkere stoffen meer warmte kunnen absorberen dan lichte.

Gecombineerde warmteoverdrachtsmechanismen

In de natuur worden soorten warmteoverdrachtsprocessen zelden afzonderlijk aangetroffen. Veel vaker zijn ze samen te zien. In de thermodynamica hebben deze combinaties zelfs namen, bijvoorbeeld thermische geleidbaarheid + convectie is convectieve warmteoverdracht en thermische geleidbaarheid + thermische straling wordt stralingsgeleidende warmteoverdracht genoemd. Daarnaast zijn er dergelijke gecombineerde vormen van warmteoverdracht als:

• Warmteafvoer -de beweging van thermische energie tussen een gas of vloeistof en een vaste stof.
• Warmteoverdracht is de overdracht van t van de ene zaak naar de andere via een mechanisch obstakel.
• Convectieve stralingswarmteoverdracht wordt gevormd door convectie en thermische straling te combineren.

Soorten warmteoverdracht in de natuur (voorbeelden)

Warmteoverdracht in de natuur speelt een grote rol en is niet beperkt tot de opwarming van de aarde door zonnestralen. Uitgebreide convectiestromen, zoals de beweging van luchtmassa's, bepalen grotendeels het weer op onze planeet.

De thermische geleidbaarheid van de kern van de aarde leidt tot het verschijnen van geisers en de uitbarsting van vulkanisch gesteente. Dit zijn slechts enkele voorbeelden van warmteoverdracht op wereldschaal. Samen vormen ze de soorten convectieve warmteoverdracht en stralingsgeleidende soorten warmteoverdracht die nodig zijn om het leven op onze planeet in stand te houden.

Het gebruik van warmteoverdracht bij antropologische activiteiten

Warmte is een belangrijk onderdeel van bijna alle productieprocessen. Het is moeilijk te zeggen welk type warmte-uitwisseling door de mens het meest wordt gebruikt in de nationale economie. Waarschijnlijk alle drie tegelijk. Warmteoverdrachtsprocessen worden gebruikt om metalen te smelten, waardoor een breed scala aan goederen wordt geproduceerd, variërend van alledaagse voorwerpen tot ruimtevaartuigen.

Extreem belangrijk voor de beschaving zijn thermische eenheden die thermische energie kunnen omzetten in bruikbare energie. Tussenze kunnen benzine-, diesel-, compressor-, turbine-eenheden worden genoemd. Voor hun werk gebruiken ze verschillende soorten warmteoverdracht.