Parlem de què és la transferència de calor. Aquest terme fa referència al procés de transferència d'energia a la matèria. Es caracteritza per un mecanisme complex, descrit per l'equació de calor.
Varietats de transferència de calor
Com es classifica la transferència de calor? La conducció de calor, la convecció i la radiació són els tres modes de transferència d'energia que existeixen a la natura.
Cada un d'ells té les seves pròpies característiques, característiques i aplicacions en tecnologia.
Conductivitat tèrmica
La quantitat de calor s'entén com la suma de l'energia cinètica de les molècules. Quan xoquen, són capaços de transferir part de la seva calor a partícules fredes. La conductivitat tèrmica es manifesta al màxim en sòlids, menys típica per a líquids, absolutament no típica per a substàncies gasoses.
Com a exemple que confirma la capacitat dels sòlids per transferir calor d'una zona a una altra, considereu l'experiment següent.
Si arregleu botons metàl·lics en un cable d'acer i, a continuació, porteu l'extrem del cable a una làmpada d'esperit encesa, els botons començaran a caure gradualment. Quan s'escalfen, les molècules comencen a moure's a una velocitat més ràpida, amb més freqüènciaxocar entre si. Són aquestes partícules les que donen la seva energia i calor a les regions més fredes. Si els líquids i els gasos no proporcionen una sortida de calor prou ràpida, això comporta un fort augment del gradient de temperatura a la regió calenta.
Radiació de calor
Per respondre a la pregunta de quin tipus de transferència de calor s'acompanya de transferència d'energia, cal tenir en compte aquest mètode en particular. La transferència radiant implica la transferència d'energia per radiació electromagnètica. Aquesta variant s'observa a una temperatura de 4000 K i es descriu per l'equació de conducció de calor. El coeficient d'absorció depèn de la composició química, la temperatura i la densitat d'un determinat gas.
La transferència de calor de l'aire té un cert límit, amb un augment del flux d'energia, augmenta el gradient de temperatura, augmenta el coeficient d'absorció. Després que el valor del gradient de temperatura superi el gradient adiabàtic, es produirà la convecció.
Què és la transferència de calor? Aquest és el procés físic de transferència d'energia d'un objecte calent a un de fred per contacte directe o mitjançant una partició que separa els materials.
Si els cossos d'un mateix sistema tenen temperatures diferents, aleshores es produeix el procés de transferència d'energia fins que s'estableix l'equilibri termodinàmic entre ells.
Funcions de transferència de calor
Què és la transferència de calor? Quines són les característiques d'aquest fenomen? No pots aturar-ho completament, només potsreduir la seva velocitat? S'utilitza la transferència de calor a la natura i la tecnologia? És la transferència de calor que acompanya i caracteritza molts fenòmens naturals: l'evolució dels planetes i les estrelles, els processos meteorològics a la superfície del nostre planeta. Per exemple, juntament amb l'intercanvi de massa, el procés de transferència de calor permet analitzar el refredament per evaporació, l'assecat i la difusió. Es duu a terme entre dos portadors d'energia tèrmica a través d'una paret sòlida, que actua com a interfície entre els cossos.
La transferència de calor a la natura i la tecnologia és una manera de caracteritzar l'estat d'un cos individual, analitzant les propietats d'un sistema termodinàmic.
Llei de Fourier
S'anomena llei de la conducció de calor, perquè enllaça la potència total de pèrdua de calor, la diferència de temperatura amb l'àrea de la secció transversal del paral·lelepípede, la seva longitud i també amb el coeficient de conductivitat tèrmica. Per exemple, per al buit, aquest indicador és gairebé zero. La raó d'aquest fenomen és la concentració mínima de partícules materials en el buit que poden transportar calor. Malgrat aquesta característica, al buit hi ha una variant de transferència d'energia per radiació. Considereu l'ús de la transferència de calor a partir d'un termo. Les seves parets es doblen per tal d'augmentar el procés de reflexió. L'aire es bombeja entre ells, alhora que es redueix la pèrdua de calor.
Convecció
Per respondre a la pregunta sobre què és la transferència de calor, considereu el procés de transferència de calor en líquidso en gasos per mescla espontània o forçada. En el cas de la convecció forçada, el moviment de la matèria és provocat per l'acció de forces externes: pales del ventilador, bomba. Una opció similar s'utilitza en situacions en què la convecció natural no és efectiva.
S'observa un procés natural en aquells casos en què, amb un escalfament desigual, s'escalfen les capes inferiors de la substància. La seva densitat disminueix, s'eleven. Les capes superiors, en canvi, es refreden, es fan més pesades i s'enfonsen. A més, el procés es repeteix diverses vegades i, durant la barreja, s'observa l'autoorganització en l'estructura dels vòrtexs, a partir de les cèl·lules de convecció es forma una xarxa regular.
A causa de la convecció natural, es formen núvols, cauen precipitacions i es mouen les plaques tectòniques. És per convecció que es formen els grànuls al Sol.
L'ús adequat de la transferència de calor garanteix una pèrdua de calor mínima i un consum màxim.
L'essència de la convecció
Per explicar la convecció, podeu utilitzar la llei d'Arquimedes, així com l'expansió tèrmica de sòlids i líquids. A mesura que augmenta la temperatura, el volum del líquid augmenta i la densitat disminueix. Sota la influència de la força d'Arquimedes, un líquid més lleuger (escalfat) tendeix cap amunt i les capes fredes (denses) cauen, escalfant-se gradualment.
Quan el líquid s'escalfa des de d alt, el líquid calent es manté en la seva posició original, de manera que no s'observa cap convecció. Així funciona el ciclefluid, que s'acompanya de la transferència d'energia de zones càlides a llocs freds. En els gasos, la convecció es produeix segons un mecanisme similar.
Des del punt de vista termodinàmic, la convecció es considera una variant de la transferència de calor, en la qual la transferència d'energia interna es produeix per fluxos separats de substàncies escalfades de manera desigual. Un fenomen semblant ocorre a la natura i a la vida quotidiana. Per exemple, els radiadors de calefacció s'instal·len a una alçada mínima del terra, prop de l'ampit de la finestra.
L'aire fred s'escalfa per la bateria, després s'eleva gradualment, on es barreja amb masses d'aire fred que baixen de la finestra. La convecció condueix a l'establiment d'una temperatura uniforme a l'habitació.
Entre els exemples habituals de convecció atmosfèrica hi ha els vents: monsons, brises. L'aire que s'escalfa sobre uns fragments de la Terra es refreda sobre d' altres, de manera que circula, es transfereix humitat i energia.
Característiques de la convecció natural
Està influenciat per diversos factors alhora. Per exemple, la taxa de convecció natural es veu afectada pel moviment diari de la Terra, els corrents marins i la topografia superficial. És la convecció que és la base per a la sortida dels cràters volcànics i les canonades de fum, la formació de muntanyes, l'elevació de diversos ocells.
En conclusió
La radiació tèrmica és un procés electromagnètic amb un espectre continu, que és emès per la matèria, es produeix a causa de l'energia interna. Per tal de realitzar càlculs de radiació tèrmica, inLa física utilitza el model de cos negre. Descriu la radiació tèrmica utilitzant la llei de Stefan-Boltzmann. La potència de radiació d'aquest cos és directament proporcional a la superfície i la temperatura del cos, portada a la quarta potència.
La conductivitat tèrmica és possible en qualsevol cos que tingui una distribució de temperatura no uniforme. L'essència del fenomen és el canvi en l'energia cinètica de les molècules i els àtoms, que determina la temperatura del cos. En alguns casos, la conductivitat tèrmica es considera la capacitat quantitativa d'una determinada substància per conduir la calor.
Els processos a gran escala d'intercanvi d'energia tèrmica no es limiten a l'escalfament de la superfície terrestre per radiació solar.
Els forts corrents de convecció a l'atmosfera terrestre es caracteritzen per canvis en les condicions meteorològiques a tot el planeta. Amb les diferències de temperatura de l'atmosfera entre les regions polar i equatorial, sorgeixen fluxos de convecció: corrents en raig, vents alisis, fronts freds i càlids.
La transferència de calor del nucli terrestre a la superfície provoca erupcions volcàniques, l'aparició de guèisers. En moltes regions, l'energia geotèrmica s'utilitza per generar electricitat, escalfar locals residencials i industrials.
És la calor la que esdevé un participant obligatori en moltes tecnologies de producció. Per exemple, el processament i la fosa de metalls, la fabricació d'aliments, el refinament del petroli, el funcionament de motors, tot això només es realitza en presència d'energia tèrmica.
