Prevajanje toplote

Iz Wikipedije, proste enciklopedije

Prevájanje toplôte je spontan prenos toplote z mesta z višjo temperaturo na mesto z nižjo temperaturo. V širšem smislu razumemo pod prevajanjem toplote tri procese:

prevajanje toplote (»kondukcija«) v trdninah mirujočih tekočinah
konvekcijo v tekočinah
sevanje

V ožjem smislu se izraz »prevajanja toplote« uporablja prvega od naštetih procesov, torej za prenos toplote po mirujoči snovi.

[uredi] Prevajanje toplote (kondukcija)

V ožjem smislu uporabljamo izraz »prevajanja toplote« za prenos toplote, pri katerem toplotni prevodnik med toplotnim rezervoarjem pri višji temperaturi in toplotnim rezervoarjem pri nižji temperaturi miruje, kar je izpolnjeno za trdnine in mirujoče tekočine. Za takšno prevajanje toplote velja zakon o prevajanju toplote (v tuji literaturi tudi Fourierov zakon):

$\mathbf{j} = -\lambda \nabla T$

Pri tem je j gostota toplotnega toka, λ toplotna prevodnost in ∇ T gradient temperature. Negativni predznak označuje, da ima toplotni tok smer negativnega gradienta temperature.

Pri prevajanju toplote skozi plast lahko zakon o prevajanju toplote v smeri pravokotno na plast zapišemo v enostavnejši obliki:

$j = -\lambda \frac{dT}{dx}$

Prevajanje toplote spada skupaj z difuzijo in prevajanjem električnega toka med transportne pojave.

[uredi] Konvekcija

Konvekcija je kombinacija prevajanja toplote (kondukcije) in prenosa toplote s kroženjem segretega sredstva. Konvekcija torej kombinira prevajanje toplote s fizičnim premikom vročih delcev na hladnejša mesta. Zategadelj do konvekcije prihaja pri prevajanju toplote v tekočinah, saj so v trdninah molekule snovi lokalizirane in ne zmorejo kolektivnega gibanja, potrebnega za konvekcijo.

Ločimo naravno in vsiljeno konvekcijo.

Pri naravni konvekciji tekočina prejme toploto od toplotnega rezervoarja, zaradi česar se zmanjša njena gostota, in tekočina se začne dvigati. To vzbudi gibanje okolišnje hladnejše tekočine z večjo gostoto, ki priteče na izpraznjeni prostor. Tam se hladnejša tekočina ogreje in proces se ponavlja. Izmenjavi tekočine pravimo konvekcijski tok. Primarna dejavnika, ki vplivata na naravno konvekcijo, sta vzgon in težnost.

Pri prisiljeni konvekciji pa, po drugi strani, gibanje tekočine ustvarja delovanje črpalke, ventilatorja ipd., s čimer se ustvari umetni konvekcijski tok. V številnih sistemih za prenos toplote tako naravna kot prisiljena konvekcija znatno prispevata k hitrosti prenosa toplote, njuna vpliva pa se seštevata.

Za ovrednotenje konvekcije inženirji vpeljejo konvekcijski koeficient (oznaka h). Za razliko od koeficienta toplotne prevodnosti ta ni lastnost snovi, ampak je odvisen tudi od geometrije, temperature, hitrosti in drugih lastnosti sistema, v katerem pride do konvekcije. Zato mora biti konvekcijski koeficient izpeljan ali izmerjen za vsak sistem posebej.

[uredi] Glej tudi

Nusseltovo število, Prandtlovo število

[uredi] Sevanje

Pri sevanju se toplota prevaja z izsevano in absorbirano energijo fotonov oz. elektromagnetnega valovanja.

Predmeti pri sobni temperaturi (okoli 300 K) izsevajo večino fotonov v infrardečem delu spektra elektromagnetnega valovanja. Gostoto energijskega toka j pri sevanju črnega telesa opisuje Stefanov zakon: