Soojusülekande tüübid: soojusülekandetegur

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Viimati modifitseeritud: 2023-12-17 10:25

Igal materiaalsel kehal on selline omadus nagu soojus, mis võib suureneda ja väheneda. Soojus ei ole materiaalne aine: aine siseenergia osana tekib see molekulide liikumise ja vastastikmõju tulemusena. Kuna erinevate ainete soojus võib erineda, siis toimub soojuse ülekandmine kuumem alt ainelt väiksema soojusega ainele. Seda protsessi nimetatakse soojusülekandeks. Selles artiklis käsitleme peamisi soojusülekande liike ja nende toimemehhanisme.

Soojusülekande määramine

Soojusülekanne ehk temperatuuriülekande protsess võib toimuda nii aine sees kui ka ühelt ainelt teisele. Samas sõltub soojusülekande intensiivsus suuresti aine füüsikalistest omadustest, ainete temperatuurist (kui soojusülekandes osaleb mitu ainet) ja füüsikaseadustest. Soojusülekanne on protsess, mis kulgeb alati ühepoolselt. Soojusülekande põhiprintsiip on see, et kuumim keha annab alati soojust madalama temperatuuriga objektile. Näiteks riiete triikimisel kuum triikraudannab pükstele sooja ja mitte vastupidi. Soojusülekanne on ajast sõltuv nähtus, mis iseloomustab soojuse pöördumatut jaotumist ruumis.

Soojusülekandemehhanismid

Ainete termilise vastasmõju mehhanismid võivad esineda erineval kujul. Looduses on kolme tüüpi soojusülekannet:

1. Soojusjuhtivus on molekulidevahelise soojusülekande mehhanism ühest kehaosast teise või teisele objektile. Omadus põhineb vaadeldavate ainete temperatuuri ebahomogeensusel.
2. Konvektsioon – soojusvahetus vedela keskkonna (vedelik, õhk) vahel.
3. Kiirgustegevus on kuumuse ülekandmine kuumutatud ja kuumutatud kehadelt (allikatest) nende energia tõttu konstantse spektriga elektromagnetlainetena.

Vaatleme loetletud soojusülekande liike üksikasjalikum alt.

Soojusjuhtivus

Kõige sagedamini täheldatakse soojusjuhtivust tahketel ainetel. Kui mõne teguri mõjul tekivad samas aines erineva temperatuuriga alad, siis soojusenergia kuumemast piirkonnast läheb üle külma. Mõnel juhul võib seda nähtust isegi visuaalselt jälgida. Näiteks kui võtame metallvarda, näiteks nõela, ja kuumutame seda tulel, siis mõne aja pärast näeme, kuidas soojusenergia kandub läbi nõela, moodustades teatud piirkonnas kuma. Samas kohas, kus temperatuur on kõrgem, on kuma heledam ja vastupidi, kus t on madalam, on see tumedam. Soojusjuhtivust võib täheldada ka kahe keha vahel (kruus kuuma teed ja käsi)

Soojusvoo ülekande intensiivsus sõltub paljudest teguritest, mille suhte paljastas prantsuse matemaatik Fourier. Need tegurid hõlmavad peamiselt temperatuuri gradienti (varda otste temperatuuride erinevuse suhe ühest otsast teise kaugusesse), keha ristlõike pindala ja soojusjuhtivuse koefitsienti (see on kõigi ainete puhul erinev, kuid kõrgeim on metallide puhul). Kõige olulisem soojusjuhtivuse koefitsient on vases ja alumiiniumis. Pole üllatav, et neid kahte metalli kasutatakse sagedamini elektrijuhtmete valmistamisel. Fourier' seaduse järgi saab soojusvoogu suurendada või vähendada, muutes ühte neist parameetritest.

Soojusülekande konvektsioonitüübid

Peamiselt gaasidele ja vedelikele iseloomulikul konvektsioonil on kaks komponenti: molekulidevaheline soojusjuhtivus ja keskkonna liikumine (jaotumine). Konvektsiooni toimemehhanism toimub järgmiselt: vedela aine temperatuuri tõusuga hakkavad selle molekulid aktiivsem alt liikuma ja ruumiliste piirangute puudumisel suureneb aine maht. Selle protsessi tagajärjeks on aine tiheduse vähenemine ja selle liikumine ülespoole. Ilmekas näide konvektsioonist on radiaatoriga soojendatud õhu liikumine akust laeni.

Eristage vaba ja sundkonvektiivse soojusülekande tüüpe. Soojusülekanne ja massi liikumine vabas tüübis toimub aine heterogeensuse tõttu, see tähendab, et kuum vedelik tõuseb külmast looduslikust kõrgemale.ilma väliste jõudude mõjutamiseta (nt ruumi kütmine keskküttega). Sundkonvektsiooni korral toimub massi liikumine välisjõudude mõjul, näiteks lusikaga teed segades.

Kiirgav soojusülekanne

Kiirgus- või kiirgussoojusülekanne võib toimuda ilma kokkupuuteta teise objekti või ainega, seetõttu on see võimalik isegi õhuvabas ruumis (vaakum). Kiirgussoojusülekanne on suuremal või vähemal määral omane kõikidele kehadele ja avaldub pideva spektriga elektromagnetlainetena. Selle suurepärane näide on päike. Toimemehhanism on järgmine: keha kiirgab pidev alt teatud koguse soojust teda ümbritsevasse ruumi. Kui see energia tabab teist eset või ainet, siis osa sellest neeldub, teine osa läbib ja kolmas osa peegeldub keskkonda. Iga objekt võib nii soojust kiirata kui ka neelata, samas kui tumedad ained suudavad neelata rohkem soojust kui heledad.

Kombineeritud soojusülekandemehhanismid

Looduses leidub soojusülekande protsesside liike eraldi harva. Palju sagedamini võib neid koos näha. Termodünaamikas on neil kombinatsioonidel isegi nimed, näiteks soojusjuhtivus + konvektsioon on konvektiivne soojusülekanne ja soojusjuhtivust + soojuskiirgust nimetatakse kiirgusjuhtivaks soojusülekandeks. Lisaks on selliseid kombineeritud soojusülekande tüüpe nagu:

• Soojuse hajumine –soojusenergia liikumine gaasi või vedeliku ja tahke aine vahel.
• Soojusülekanne on t ülekandmine ühest ainest teise mehaanilise takistuse kaudu.
• Konvektiivne-kiirgussoojusülekanne tekib konvektsiooni ja soojuskiirguse kombineerimisel.

Soojusülekande tüübid looduses (näited)

Soojusülekanne looduses mängib tohutut rolli ja ei piirdu ainult maakera kuumutamisega päikesekiirte toimel. Ulatuslikud konvektsioonivoolud, nagu õhumasside liikumine, määravad suuresti ilma kogu meie planeedil.

Maa tuuma soojusjuhtivus toob kaasa geisrite ilmumise ja vulkaaniliste kivimite purske. Need on vaid mõned näited soojusülekandest globaalses mastaabis. Koos moodustavad need konvektiivse soojusülekande ja kiirgust juhtiva soojusülekande tüübid, mis on vajalikud elu säilitamiseks meie planeedil.

Soojusülekande kasutamine antropoloogilises tegevuses

Kuumus on peaaegu kõigi tootmisprotsesside oluline komponent. Raske on öelda, millist tüüpi soojusvahetust kasutab inimene kõige enam rahvamajanduses. Ilmselt kõik kolm korraga. Metallide sulatamiseks kasutatakse soojusülekandeprotsesse, mis toodavad laias valikus kaupu igapäevastest esemetest kosmoselaevadeni.

Tsivilisatsiooni jaoks on äärmiselt olulised soojusüksused, mis on võimelised soojusenergiat kasulikuks energiaks muutma. hulgasneid võib nimetada bensiini-, diisli-, kompressori-, turbiiniseadmeteks. Oma töös kasutavad nad erinevat tüüpi soojusülekannet.