TRANSFERUL DE CĂLDURĂ: LEGI, FORME DE TRANSMITERE, EXEMPLE - FIZIC - 2025

Există transfer de căldură atunci când energia trece de la un corp la altul, datorită diferenței de temperatură între cele două. Procesul de transfer de căldură încetează imediat ce temperaturile corpurilor aflate în contact sunt egale sau când contactul dintre ele este îndepărtat.

Cantitatea de energie transferată de la un corp la altul într-o anumită perioadă de timp se numește căldură transferată. Un corp poate da căldură altuia sau îl poate absorbi, dar căldura merge întotdeauna de la corp cu cea mai mare temperatură la corp cu cea mai scăzută temperatură.

Figura 1. Într-un foc de foc există trei mecanisme de transfer de căldură: conducere, convecție și radiații. Sursa: Pixabay.

Unitățile de căldură sunt aceleași cu cele ale energiei, iar în sistemul internațional de măsurare (SI) este joule (J). Alte unități de căldură utilizate frecvent sunt caloriile și BTU.

În ceea ce privește legile matematice care guvernează transferul de căldură, acestea depind de mecanismul implicat în schimb.

Atunci când căldura este condusă de la un corp la altul, viteza cu care se schimbă căldura este proporțională cu diferențialul de temperatură. Aceasta este cunoscută sub numele de legea lui Fourier a conductivității termice, care duce la legea lui Newton a răcirii.

Forme / mecanisme de transmitere a căldurii

Sunt modalitățile prin care se poate schimba căldura între două corpuri. Se recunosc trei mecanisme:

-Conducere

Automate convectore

-Radiation

Într-un vas ca cel arătat în figura de mai sus, există aceste trei mecanisme de transfer de căldură:

-Metalul din vas este încălzit în principal prin conducere.

-Apa și aerul sunt încălzite și cresc prin convecție.

-Persoanele din apropierea oalei sunt încălzite de radiațiile emise.

Conducere

Conducerea căldurii apare mai ales în solide și în special în metale.

De exemplu, soba din bucătărie transmite căldură alimentelor din interiorul vasului prin mecanismul de conducere prin metalul de jos și pereții metalici ai recipientului. În conducta termică nu există transport de materiale, doar energie.

Convecție

Mecanismul de convecție este tipic lichidelor și gazelor. Acestea sunt aproape întotdeauna mai puțin dense la temperaturi mai ridicate, din acest motiv există un transport de căldură ascendent de la porțiunile de fluid mai fierbinte la regiunile mai înalte cu porțiuni de fluid mai rece. În mecanismul de convecție există transport de materiale.

radiație

La rândul său, mecanismul de radiație permite schimbul de căldură între două corpuri chiar și atunci când acestea nu sunt în contact. Exemplul imediat este Soarele, care încălzește Pământul prin spațiul gol dintre ele.

Toate corpurile emit și absorb radiațiile electromagnetice. Dacă aveți două corpuri la temperaturi diferite, chiar și în vid, după un timp vor atinge aceeași temperatură datorită schimbului de căldură prin radiații electromagnetice.

Rata de transfer de căldură

În sistemele termodinamice de echilibru, cantitatea de căldură totală schimbată cu mediul contează, astfel încât sistemul să treacă de la o stare de echilibru la alta.

Pe de altă parte, în transferul de căldură, interesul este concentrat pe fenomenul tranzitoriu, când sistemele nu au ajuns încă la echilibru termic. Este important să rețineți că cantitatea de căldură este schimbată într-o anumită perioadă de timp, adică există o viteză de transfer de căldură.

Exemple

- Exemple de conducere de căldură

În conductibilitatea termică, energia termică este transmisă prin coliziuni între atomii și moleculele materialului, indiferent dacă acesta este solid, lichid sau gaz.

Solidele sunt mai bune conductoare de căldură decât gazele și lichidele. În metale există electroni liberi care se pot deplasa prin metal.

Deoarece electronii liberi au o mare mobilitate, aceștia sunt capabili să transmită energie cinetică prin coliziuni mai eficient, motiv pentru care metalele au o conductivitate termică ridicată.

Din punct de vedere macroscopic, conductivitatea termică este măsurată ca cantitate de căldură transferată pe unitatea de timp sau curentul caloric H:

Figura 2. Conducerea căldurii printr-o bară. Pregătit de Fanny Zapata.

Curentul caloric H este proporțional cu secțiunea transversală a zonei A și variația temperaturii pe unitatea de distanță longitudinală.

Această ecuație este aplicată pentru a calcula curentul caloric H al unei bare ca cea din figura 2, care se află între două rezervoare de temperaturi T ₁ și respectiv T ₂ , unde T ₁ > T ₂ .

Conductivitatea termică a materialelor

Mai jos este o listă a conductivității termice a unor materiale în wați pe metru pe kelvin: W / (m. K)

Aluminiu -------- 205

Cupru --------- 385

Argint ---------- 400

Oțel ---------– 50

Plută sau fibră de sticlă - 0,04

Beton sau sticlă ----- 0,8

Lemn ----- 0,05 până la 0,015

Aer --------– 0,024

- Exemple de căldură prin convecție

În convecția termică, energia este transferată datorită mișcării fluidului, care, la diferite temperaturi, are densități diferite. De exemplu, atunci când apa este fiartă într-un vas, apa din partea de jos își crește temperatura, astfel încât se extinde.

Această expansiune face ca apa caldă să crească, în timp ce cea rece coboară pentru a ocupa spațiul lăsat de apa caldă care a crescut. Rezultatul este o mișcare de circulație care continuă până când temperaturile de toate nivelurile se egalizează.

Convecția este ceea ce determină mișcarea maselor mari de aer în atmosfera Pământului și determină, de asemenea, circulația curenților marini.

- Exemple de căldură cu radiații

În mecanismele de transmitere a căldurii prin conducere și prin convecție, prezența unui material este necesară pentru căldura să fie transmisă. În schimb, în ​​mecanismul de radiație, căldura poate trece de la un corp la altul printr-un vid.

Acesta este mecanismul prin care Soarele, la o temperatură mai mare decât Pământul, transmite energie pe planeta noastră direct prin vidul spațiului. Radiația vine la noi prin unde electromagnetice.

Toate materialele sunt capabile să emită și să absoarbă radiații electromagnetice. Maximul frecvenței emise sau absorbite depinde de temperatura materialului și această frecvență crește odată cu temperatura.

Lungimea de undă predominantă în spectrul de emisie sau absorbție a unui corp negru urmează legea lui Wien, care afirmă că lungimea de undă predominantă este proporțională cu inversa temperaturii corpului.

Pe de altă parte, puterea (în wați) cu care un corp emite sau absoarbe energia termică prin radiații electromagnetice este proporțională cu a patra putere a temperaturii absolute. Aceasta este cunoscută sub numele de legea lui Ștefan:

P = εAσT ⁴

În expresia de mai sus σ este constantă și valoarea lui este 5,67 x 10-8 W / m ² K ⁴ . A este suprafața corpului și ε este emisivitatea materialului, o constantă fără dimensiuni a cărei valoare este între 0 și 1 și depinde de material.

Exercițiu rezolvat

Luați în considerare bara din figura 2. Să presupunem că bara are o lungime de 5 cm, o rază de 1 cm și este realizată din cupru.

Bara este plasată între doi pereți care îi mențin temperatura constantă. Primul perete are o temperatură T1 = 100ºC, în timp ce celălalt este la T2 = 20ºC. A determina:

a.- Valoarea curentului termic H

b.- Temperatura barei de cupru la 2 cm, la 3 cm și la 4 cm de peretele temperaturii T1.

Solutie la

Deoarece bara de cupru este plasată între doi pereți ai căror pereți mențin în același timp aceeași temperatură, se poate spune că este într-o stare constantă. Cu alte cuvinte, curentul termic H are aceeași valoare pentru orice moment.

Pentru a calcula acest curent, aplicăm formula care leagă curentul H cu diferența de temperatură și lungimea barei.

Zona secțiunii transversale este:

A = πR ² = 3,14 * (1 × 10 ^-2 m) ² = 3,14 x 10 ^-4 m ²

Diferența de temperatură dintre capetele barei este

ΔT = (100ºC - 20ºC) = (373K - 293K) = 80K

Δx = 5 cm = 5 x 10 ^-2 m

H = 385 W / (m K) * 3,14 x 10 ^-4 m ² * (80K / 5 x 10 ^-2 m) = 193,4 W

Acest curent este același în orice punct al barei și în orice moment, de când s-a ajuns la starea de echilibru.

Soluție b

În această parte, ni se cere să calculăm temperatura Tp într-un punct P situat la o distanță Xp de peretele T ₁ .

Expresia care dă curentul caloric H în punctul P este:

Din această expresie, Tp poate fi calculat prin:

Să calculăm temperatura Tp la pozițiile de 2 cm, 3 cm și respectiv 4 cm, înlocuind valori numerice:

• Tp = 340,6 K = 67,6 ° C; 2 cm de T1
• Tp = 324,4K = 51,4 ° C; 3 cm de T1
• Tp = 308,2K = 35,2 ° C; La 4 cm de T1

Referințe

1. Figueroa, D. 2005. Seria: Fizică pentru științe și inginerie. Volumul 5. Fluide și termodinamică. Editat de Douglas Figueroa (USB).
2. Kirkpatrick, L. 2007. Fizica: o privire asupra lumii. A 6-a ediție prescurtată. Cengage Learning.
3. Lay, J. 2004. Fizică generală pentru ingineri. USACH.
4. Mott, R. 2006. Mecanica fluidelor. 4a. Ediție. Pearson Education.
5. Strangeways, I. 2003. Măsurarea mediului natural. 2a. Ediție. Presa universitară din Cambridge.
6. Wikipedia. Conductivitate termică. Recuperat din: es.wikipedia.com