Какво представлява преносът на топлина? Топлопренасяне в природата и технологиите

Нека да поговорим за топлопреминаването. С този термин разбираме процеса на трансфер на енергия в материята. Тя се характеризира със сложен механизъм, описан от уравнението на топлопроводимостта.

Видове топлопредаване

Как се разделя топлопреминаването? Термичната проводимост, конвекцията, радиацията са три режима на пренос на енергия, които съществуват в природата.

Всеки от тях има свои собствени отличителни характеристики, характеристики, приложения в технологиите.

Топлопроводимост

Чрез количеството топлина се има предвид сумата от кинетичната енергия на молекулите. Те могат да предадат част от топлината си на студени частици в сблъсък. Термопроводимостта е максимално проявена в твърди вещества, по-малко характерни за течности, абсолютно не са характерни за газообразните вещества.

Като пример, потвърждавайки способността на твърдите вещества да прехвърлят топлината от едно място в друго, помислете за следващия експеримент.

Ако металният проводник е фиксиран с метални бутони, а след това донесете края на жицата към изгарящата спиртна лампа, постепенно бутоните от нея започват да падат. Когато се нагряват, молекулите започват да се движат по-бързо, често се сблъскват един с друг. Това са тези частици, които се отказват от своята енергия и топлина в по-студени райони. Ако течността и газът не осигуряват достатъчно бързо изтичане на топлина, това води до рязко повишаване на температурния градиент в горещата зона.

Топлинно излъчване

Отговаряйки на въпроса какъв тип топлопренос е придружен от преноса на енергия, е необходимо да се отбележи този метод. Радиационният трансфер включва предаването на енергия чрез електромагнитно излъчване. Този вариант се наблюдава при температура от 4000 К, описан от уравнението за термична проводимост. Коефициентът на абсорбиране зависи от химичния състав, температурата и плътността на конкретен газ.

Топлопредаването на въздуха има определена граница, тъй като енергийният поток се увеличава, температурният градиент се увеличава, коефициентът на поглъщане се увеличава. След като стойността на температурния градиент надвиши адиабатичния градиент, ще настъпи конвекция.

Какво е това? топлопренос? Това е физическият процес на прехвърляне на енергия от горещ обект върху студен обект чрез директен контакт или чрез преграда, която разделя материалите.

Ако телата на една система имат различни температури, процесът на пренос на енергия се осъществява, докато се установи термодинамично равновесие между тях.

Характеристики на топлопредаване

Какво представлява преносът на топлина? Какви са особеностите на този феномен? Тя не може да бъде спряна напълно, можем ли само да намалим скоростта на потока? Трансферът на топлината се използва в природата и технологията? Това е топлообменът, който придружава и характеризира много природни феномени: еволюцията на планетите и звездите, метеорологичните процеси на повърхността на нашата планета. Например, заедно с масовия обмен, процесът на пренос на топлина позволява анализиране на охлаждането чрез изпаряване, сушенето, дифузията. Той се осъществява между два носителя на топлинна енергия през солидна стена, действаща като интерфейс на тела.

Топлопренасянето в природата и технологията е начин да се характеризира състоянието на отделно тяло, като се анализират свойствата на термодинамичната система.

Законът за Фурие

Нарича се законът за топлопроводимостта, тъй като той свързва общата мощност на топлинните загуби, температурната разлика с площта на паралелепипеда, дължината му, както и коефициента на топлинна проводимост. Например, за вакуум този показател е практически нулев. Причината за това явление е минималната концентрация на материални частици във вакуум, който може да носи топлина. Въпреки подобна характеристика, във вакуум има вариант на предаване на енергия чрез лъчение. Прилагането на топлопренос ще се разглежда на базата на термос. Стените й са направени двойно, за да се увеличи процесът на отражение. Между тях изпомпваше въздуха, като същевременно се намалиха топлинните загуби.

конвекция

Отговаряйки на въпроса за това какво е топлопренос, помислете за процеса на топлопредаване в течности или газове чрез спонтанно или принудително смесване. В случай на принудителна конвекция движението на веществото се предизвиква от въздействието на външни сили: вентилаторите, помпата. Подобна опция се използва в ситуации, при които естествената конвекция не е ефективна.

Естествен процес се наблюдава в тези случаи, когато по време на неравномерно нагряване долните слоеве на материята се нагряват. Тяхната плътност намалява, те се издигат. Горните слоеве, от друга страна, са охладени, по-тежки, по-ниски. Освен това, процесът се повтаря многократно и при смесването се наблюдава самоорганизация в структурата на вихрите, като от конвекционните клетки се образува редовна решетка.

Благодарение на естествената конвекция се образуват облаци, валежите от атмосферни валежи и движението на тектонските плочи. С конвекцията върху слънцето се образува гранулата.

Правилното използване на топлинния трансфер гарантира минимална топлинна загуба, максимално потребление.

Същност на конвекцията

За да обясним конвекцията, може да се използва законът на Архимед, а също така термично разширение твърди вещества и течности. Тъй като температурата се повишава, обемът на течността се увеличава, плътността намалява. Под влияние на силата на Архимед по-лека (нагрята) течност се насочва нагоре и студени (плътни) слоеве падат, като постепенно се затоплят.

Ако течността се нагрява от горе, топлата течност остава в началната позиция, така че не се наблюдава конвекция. По този начин потокът от течности се придружава от прехвърлянето на енергия от отопляеми зони към студени места. В газовете конвекцията протича чрез подобен механизъм.

От термодинамична гледна точка конвекцията се разглежда като вариант на пренос на топлина, при който трансферът на вътрешна енергия се осъществява чрез отделни потоци от вещества, които се нагряват неравномерно. Подобен феномен се среща в природата и в ежедневието. Например, радиаторите за отопление се монтират на минимална височина от пода, близо до перваза на прозореца.

Студеният въздух се затопля от батерията, след това постепенно се издига, където се смесва със студените въздушни маси, слизащи от прозореца. Конвекцията води до установяване на еднаква температура в стаята.

Сред общите примери за атмосферна конвекция са ветровете: мусони, бриз. Въздухът, който се нагрява над определени фрагменти от Земята, се охлажда над другите, в резултат на което се получава кръвообращението му, а влагата и енергията се прехвърлят.

Характеристики на естествената конвекция

Няколко фактора го засягат наведнъж. Например, дневното движение на Земята, морските течения и повърхностният релеф влияят върху скоростта на естествената конвекция. Това е конвекция, която е в основата на излизането от кратера на вулкана и тръбите от дим, образуването на планини, плаването на различни птици.

В заключение

Топлинната радиация е електромагнитен процес с непрекъснат спектър, който се излъчва от материята, възниква от вътрешната енергия. За да се извършат изчисления на топлинната радиация, във физика се използва модел на черно тяло. Топлинната радиация е описана с помощта на закона Стефан-Болцман. Радиационната мощност на такова тяло е пряко пропорционална на повърхностната площ и телесната температура, взети до четвъртата мощност.

Топлопроводимостта е възможна при всички тела, които имат нееднакво разпределение на температурата. Същността на феномена се състои в промяна на кинетичната енергия на молекулите и атомите, която определя температурата на тялото. В някои случаи топлинната проводимост се счита за количествена способност на определено вещество да провежда топлина.

Мащабните процеси на обмен на топлинна енергия не се ограничават до нагряване на земната повърхност от слънчева радиация.

Сериозни конвекционни токове в земната атмосфера се характеризират с промени на цялата планета на метеорологичните условия. Когато температурите паднат в атмосферата между полярните и екваториалните райони, възникват конвективни токове: струйни токове, търговски ветрове, студени и топли фронтове.

Трансферът на топлина от ядрото на земята към повърхността предизвиква вулканични изригвания, появата на гейзери. В много региони геотермалната енергия се използва за генериране на електричество, за отопление на жилищни и промишлени помещения.

Топлото се превръща в задължителен участник в много производствени технологии. Например, обработка и топене на метали, производство на храни, рафиниране на нефт, работа на двигателя - всичко това се извършва само при наличие на топлинна енергия.