Видове топлопреминаване: коефициент на топлопреминаване

2024 Автор: Howard Calhoun | [email protected]. Последно модифициран: 2023-12-17 10:19

Всяко материално тяло има такава характеристика като топлина, която може да се увеличава и намалява. Топлината не е материално вещество: като част от вътрешната енергия на веществото, тя възниква в резултат на движението и взаимодействието на молекулите. Тъй като топлината на различните вещества може да се различава, има процес на пренос на топлина от по-горещо вещество към вещество с по-малко топлина. Този процес се нарича пренос на топлина. В тази статия ще разгледаме основните видове пренос на топлина и механизмите на тяхното действие.

Определяне на топлопреминаването

Преносът на топлина или процесът на пренос на температура може да се случи както вътре в материята, така и от едно вещество към друго. В същото време интензитетът на пренос на топлина до голяма степен зависи от физичните свойства на материята, температурата на веществата (ако няколко вещества участват в топлопреминаването) и законите на физиката. Преносът на топлина е процес, който винаги протича едностранно. Основният принцип на пренос на топлина е, че най-горещото тяло винаги отдава топлина на обект с по-ниска температура. Например, когато гладите дрехи, гореща ютияпридава топлина на панталоните, а не обратното. Преносът на топлина е зависимо от времето явление, което характеризира необратимото разпределение на топлината в пространството.

Механизми за пренос на топлина

Механизмите на топлинно взаимодействие на веществата могат да приемат различни форми. В природата има три вида пренос на топлина:

1. Топлопроводимостта е механизъм на междумолекулен пренос на топлина от една част на тялото към друга или към друг обект. Свойството се основава на нехомогенността на температурата в разглежданите вещества.
2. Конвекция - топлообмен между течна среда (течност, въздух).
3. Действието на радиация е пренос на топлина от нагрети и нагрети тела (източници) поради тяхната енергия под формата на електромагнитни вълни с постоянен спектър.

Нека разгледаме изброените видове топлопренос по-подробно.

Топлопроводимост

Най-често топлопроводимостта се наблюдава в твърди тела. Ако под въздействието на някакви фактори в едно и също вещество се появят области с различни температури, то топлинната енергия от по-гореща област ще премине към студена. В някои случаи това явление може дори да се наблюдава визуално. Например, ако вземем метален прът, да речем, игла, и го нагреем на огън, тогава след известно време ще видим как топлинната енергия се пренася през иглата, образувайки сияние в определена област. В същото време, на място, където температурата е по-висока, сиянието е по-ярко и, обратно, където t е по-ниско, е по-тъмно. Топлопроводимостта може да се наблюдава и между две тела (чаша горещ чай и ръка)

Интензивността на преноса на топлинния поток зависи от много фактори, чието съотношение е разкрито от френския математик Фурие. Тези фактори включват предимно температурния градиент (съотношението на температурната разлика в краищата на пръта към разстоянието от единия до другия край), площта на напречното сечение на тялото и коефициента на топлопроводимост (тя е различна за всички вещества, но най-висока се наблюдава при металите). Най-значимият коефициент на топлопроводимост се наблюдава при медта и алуминия. Не е изненадващо, че тези два метала се използват по-често при производството на електрически проводници. Следвайки закона на Фурие, топлинният поток може да бъде увеличен или намален чрез промяна на един от тези параметри.

Конвекционни видове топлопреминаване

Конвекцията, която е характерна предимно за газове и течности, има два компонента: междумолекулна топлопроводимост и движение (разпределение) на средата. Механизмът на действие на конвекцията протича по следния начин: с повишаване на температурата на течно вещество, неговите молекули започват да се движат по-активно и при липса на пространствени ограничения обемът на веществото се увеличава. Последствието от този процес ще бъде намаляване на плътността на веществото и движението му нагоре. Ярък пример за конвекция е движението на въздуха, загрят от радиатор, от батерията към тавана.

Разграничаване на свободен и принудителен конвективен тип топлопредаване. Преносът на топлина и движението на масата в свободния тип възниква поради хетерогенността на веществото, тоест горещата течност се издига над студената естественаначин, без да се влияе от външни сили (например отопление на помещение с централно отопление). При принудителна конвекция движението на масата става под въздействието на външни сили, например при разбъркване на чай с лъжица.

Пренос на лъчиста топлина

Пренос на лъчиста или радиационна топлина може да се случи без контакт с друг обект или вещество, поради което е възможно дори в безвъздушно пространство (вакуум). Радиационният топлопренос е присъщ на всички тела в по-голяма или по-малка степен и се проявява под формата на електромагнитни вълни с непрекъснат спектър. Ярък пример за това е слънцето. Механизмът на действие е следният: тялото непрекъснато излъчва определено количество топлина в пространството около него. Когато тази енергия удари друг обект или вещество, част от нея се абсорбира, втората част преминава, а третата част се отразява в околната среда. Всеки обект може едновременно да излъчва топлина и да абсорбира, докато тъмните вещества са в състояние да абсорбират повече топлина от светлите.

Комбинирани механизми за пренос на топлина

В природата рядко се срещат видове топлопреносни процеси поотделно. Много по-често могат да се видят заедно. В термодинамиката тези комбинации дори имат имена, например топлопроводимост + конвекция е конвективен топлопренос, а топлопроводимост + топлинно излъчване се нарича радиационно-проводим топлопренос. Освен това има такива комбинирани видове топлопренос като:

• Разсейване на топлината -движението на топлинната енергия между газ или течност и твърдо вещество.
• Преносът на топлина е прехвърлянето на t от една материя в друга чрез механично препятствие.
• Конвективно-лъчист топлопренос се образува чрез комбиниране на конвекция и топлинно излъчване.

Видове топлопренос в природата (примери)

Преносът на топлина в природата играе огромна роля и не се ограничава до нагряването на земното кълбо от слънчевите лъчи. Обширните конвекционни течения, като движението на въздушните маси, до голяма степен определят времето на цялата планета.

Топлопроводимостта на земното ядро води до появата на гейзери и изригването на вулканични скали. Това са само няколко примера за пренос на топлина в глобален мащаб. Заедно те образуват видовете конвективен топлопренос и радиационно-проводим тип топлопренос, необходими за поддържане на живота на нашата планета.

Използването на пренос на топлина в антропологични дейности

Топлината е важен компонент на почти всички производствени процеси. Трудно е да се каже кой вид топлообмен се използва от човека най-вече в националната икономика. Вероятно и трите едновременно. Процесите на пренос на топлина се използват за топене на метали, произвеждащи огромен набор от стоки, вариращи от ежедневни предмети до космически кораб.

Изключително важни за цивилизацията са топлинните единици, способни да преобразуват топлинната енергия в полезна енергия. Междуте могат да се нарекат бензинови, дизелови, компресорни, турбинни агрегати. За своята работа те използват различни видове топлопренос.