Räägime sellest, mis on soojusülekanne. See termin viitab energia ülekande protsessile aines. Seda iseloomustab keeruline mehhanism, mida kirjeldab soojusvõrrand.
Soojusülekande mitmekesisus
Kuidas liigitatakse soojusülekannet? Soojusjuhtivus, konvektsioon, kiirgus on kolm looduses eksisteerivat energiaülekande viisi.
Igal neist on oma eripärad, omadused ja rakendused tehnoloogias.
Soojusjuhtivus
Soojushulga all mõistetakse molekulide kineetilise energia summat. Kui nad põrkuvad, suudavad nad osa oma soojusest üle kanda külmadele osakestele. Soojusjuhtivus avaldub maksimaalselt tahketes ainetes, vedelikele vähem tüüpiline, gaasilistele ainetele absoluutselt ebatüüpiline.
Näitena, mis kinnitab tahkete ainete võimet soojust ühest piirkonnast teise üle kanda, kaaluge järgmist katset.
Kui kinnitate metallnööbid terastraadile, siis viite traadi ots põleva piirituslambi juurde, hakkavad nupud sellelt tasapisi maha kukkuma. Kuumutamisel hakkavad molekulid liikuma suurema kiirusega, sagedaminiomavahel kokku põrkuda. Just need osakesed annavad oma energia ja soojuse külmematele piirkondadele. Kui vedelikud ja gaasid ei taga soojuse piisav alt kiiret väljavoolu, põhjustab see kuumas piirkonnas temperatuuri gradiendi järsu tõusu.
Soojuskiirgus
Vastates küsimusele, millist tüüpi soojusülekandega kaasneb energiaülekanne, tuleb märkida see konkreetne meetod. Kiirgusülekanne hõlmab energia ülekandmist elektromagnetilise kiirgusega. Seda varianti täheldatakse temperatuuril 4000 K ja seda kirjeldatakse soojusjuhtivuse võrrandiga. Neeldumistegur sõltub teatud gaasi keemilisest koostisest, temperatuurist, tihedusest.
Õhu soojusülekandel on teatud piir, energiavoolu suurenedes suureneb temperatuurigradient, suureneb neeldumistegur. Kui temperatuurigradiendi väärtus ületab adiabaatilise gradiendi, toimub konvektsioon.
Mis on soojusülekanne? See on energia ülekandmine kuum alt objektilt külmale füüsiliselt otsese kontakti või materjale eraldava vaheseina kaudu.
Kui sama süsteemi kehadel on erinevad temperatuurid, siis toimub energia ülekandeprotsess, kuni nende vahel saabub termodünaamiline tasakaal.
Soojusülekande funktsioonid
Mis on soojusülekanne? Millised on selle nähtuse tunnused? Te ei saa seda täielikult peatada, saate ainultkiirust vähendada? Kas soojusülekannet kasutatakse looduses ja tehnikas? Just soojusülekanne on see, mis saadab ja iseloomustab paljusid loodusnähtusi: planeetide ja tähtede areng, meteoroloogilised protsessid meie planeedi pinnal. Näiteks koos massivahetusega võimaldab soojusülekande protsess analüüsida aurustavat jahutamist, kuivatamist, difusiooni. See viiakse läbi kahe soojusenergia kandja vahel läbi tahke seina, mis toimib liidesena kehade vahel.
Soojusülekanne looduses ja tehnoloogias on viis üksiku keha seisundi iseloomustamiseks, termodünaamilise süsteemi omaduste analüüsimiseks.
Fourier' seadus
Seda nimetatakse soojusjuhtivuse seaduseks, kuna see seob soojuskao koguvõimsuse, temperatuuride erinevuse rööptahuka ristlõike pindala, selle pikkuse ja ka soojusjuhtivuse koefitsiendiga. Näiteks vaakumi puhul on see indikaator peaaegu null. Selle nähtuse põhjuseks on materjaliosakeste minimaalne kontsentratsioon vaakumis, mis suudab soojust kanda. Vaatamata sellele omadusele on vaakumis olemas kiirguse teel energiaülekande variant. Kaaluge soojusülekande kasutamist termose baasil. Selle seinad on tehtud kahekordseks, et suurendada peegeldusprotsessi. Nende vahelt pumbatakse õhku välja, vähendades samal ajal soojuskadu.
Konvektsioon
Vastates küsimusele, mis on soojusülekanne, kaaluge soojusülekande protsessi vedelikesvõi gaasides spontaanse või sundsegamise teel. Sundkonvektsiooni korral põhjustab aine liikumist välisjõudude toime: ventilaatori labad, pump. Sarnast võimalust kasutatakse olukordades, kus loomulik konvektsioon ei ole efektiivne.
Loomulikku protsessi täheldatakse juhtudel, kui ebaühtlase kuumutamise korral kuumutatakse aine alumisi kihte. Nende tihedus väheneb, nad tõusevad üles. Ülemised kihid, vastupidi, jahtuvad, muutuvad raskemaks ja vajuvad alla. Edasi korratakse protsessi mitu korda ning segamisel täheldatakse iseorganiseerumist keeriste struktuuriks, konvektsioonirakkudest moodustub korrapärane võre.
Loodusliku konvektsiooni tõttu tekivad pilved, sajab sademeid ja tektoonilised plaadid liiguvad. Päikesel tekivad graanulid konvektsiooni teel.
Soojusülekande õige kasutamine tagab minimaalse soojuskao, maksimaalse tarbimise.
Konvektsiooni olemus
Konvektsiooni selgitamiseks võite kasutada Archimedese seadust, aga ka tahkete ainete ja vedelike soojuspaisumist. Temperatuuri tõustes vedeliku maht suureneb ja tihedus väheneb. Archimedese jõu mõjul kaldub kergem (kuumutatud) vedelik ülespoole ja külmad (tihedad) kihid langevad alla, järk-järgult soojenedes.
Kui vedelikku kuumutatakse ül alt, jääb soe vedelik oma algsesse asendisse, seega konvektsiooni ei täheldata. Nii see tsükkel töötabvedelik, millega kaasneb energia ülekandmine soojadest piirkondadest külmadesse kohtadesse. Gaasides toimub konvektsioon sarnase mehhanismi järgi.
Terodünaamilisest vaatenurgast vaadeldakse konvektsiooni kui soojusülekande varianti, mille puhul siseenergia ülekanne toimub ebaühtlaselt kuumutatud ainete eraldi voogudega. Sarnane nähtus esineb looduses ja igapäevaelus. Näiteks kütteradiaatorid paigaldatakse põrandast minimaalsele kõrgusele aknalaua lähedale.
Külma õhk soojendab aku üles, seejärel tõuseb järk-järgult üles, kus seguneb aknast laskuva külma õhumassiga. Konvektsioon viib ruumis ühtlase temperatuurini.
Atmosfääri konvektsiooni levinumate näidete hulgas on tuuled: mussoon, tuuled. Õhk, mis soojeneb mõne Maa killu kohal, jahtub üle teiste, mille tulemusena see ringleb, niiskus ja energia kanduvad üle.
Loodusliku konvektsiooni omadused
Seda mõjutavad mitu tegurit korraga. Näiteks mõjutavad loodusliku konvektsiooni kiirust Maa igapäevane liikumine, merehoovused ja pinna topograafia. Just konvektsioon on aluseks vulkaanikraatritest ja suitsutorudest väljumisele, mägede tekkele, erinevate lindude lendudele.
Kokkuvõtteks
Soojuskiirgus on pideva spektriga elektromagnetiline protsess, mida kiirgab aine, mis tekib siseenergia tõttu. Soojuskiirguse arvutuste tegemiseks inFüüsika kasutab musta keha mudelit. Kirjeldage soojuskiirgust Stefan-Boltzmanni seaduse abil. Sellise keha kiirgusvõimsus on otseselt võrdeline keha pindala ja temperatuuriga, võetud neljandaks astmeks.
Soojusjuhtivus on võimalik kõigis kehades, mille temperatuurijaotus on ebaühtlane. Nähtuse olemus seisneb molekulide ja aatomite kineetilise energia muutumises, mis määrab keha temperatuuri. Mõnel juhul loetakse soojusjuhtivust teatud aine kvantitatiivseks võimeks juhtida soojust.
Suuremahulised soojusenergia vahetuse protsessid ei piirdu ainult maapinna kuumutamisega päikesekiirguse toimel.
Maa atmosfääri tugevaid konvektsioonvoolusid iseloomustavad ilmastikutingimuste muutused kogu planeedil. Atmosfääri temperatuurierinevuste tõttu polaar- ja ekvatoriaalpiirkondade vahel tekivad konvektsioonivoolud: jugavoolud, passaattuuled, külm ja soe front.
Soojuse ülekanne maa tuumast maapinnale põhjustab vulkaanipurskeid, geisrite tekkimist. Paljudes piirkondades kasutatakse geotermilist energiat elektri tootmiseks, elu- ja tööstusruumide kütmiseks.
Just soojusest saab paljude tootmistehnoloogiate kohustuslik osaline. Näiteks metallide töötlemine ja sulatamine, toiduainete tootmine, õli rafineerimine, mootorite käitamine – kõik see toimub ainult soojusenergia juuresolekul.
