Esimerkki lämmönjohtavuudesta

Ajaminen on yhdessä konvektio ja säteily, yksi kolmesta lämmönsiirtomekanismista. Se on energian siirto aineen energisemmistä hiukkasista vierekkäisiin vähemmän energisiin hiukkasiin näiden hiukkasten välisen vuorovaikutuksen seurauksena. Johtuminen voi tapahtua missä tahansa fysikaalisessa tilassa, olipa se sitten kiinteä, nestemäinen tai kaasumainen. Kaasuissa ja nesteissä johtuminen johtuu molekyylien törmäyksistä ja diffuusiosta niiden satunnaisen liikkeen aikana. Kiinteissä aineissa se johtuu hilassa olevien molekyylien värähtelyjen ja vapaan elektronin kuljettaman energian yhdistelmästä. Esimerkiksi tulee aika, jolloin kylmä purkitettu juoma lämpimässä huoneessa lämpenee huoneen lämpötilaan. johtumisen kautta tapahtuvan lämmönsiirron seurauksena huoneesta juomaan alumiinia muodostavan alumiinin läpi voi.

Lämmön johtumisnopeus väliaineen läpi riippuu tämä, sen paksuus ja materiaali, josta se on valmistettu, sekä lämpötilaero hän. Lämminvesisäiliön kääriminen lasikuitulla, joka on eristysmateriaali, tiedetään vähentävän lämpöhäviötä kyseisestä säiliöstä. Mitä paksumpi eristys, sitä pienempi lämpöhäviö. Tiedetään myös, että kuumavesisäiliö menettää lämpöä nopeammin, kun sen huoneen lämpötila lasketaan. Lisäksi mitä suurempi säiliö, sitä suurempi pinta-ala ja siten lämpöhäviö.

Lämmön vakaan tilan johtumista (joka pysyy vakiona ja ilman näkyviä vaihteluita) voidaan harkita suuren tasaisen seinän läpi, jonka paksuus on Δx = L ja pinta-ala A. Lämpötilaero seinän yhdeltä puolelta toiselle on ΔT = T₂-T₁. Kokeet ovat osoittaneet, että lämmönsiirtonopeus Q seinämän läpi kaksinkertaistuu, kun lämpötilaero AT kaksinkertaistuu toisistaan. toisella puolella, tai muuten, alue A, joka on kohtisuorassa lämmönsiirtosuuntaan, kaksinkertaistuu, mutta se puolittuu, kun Seinä. Siksi päätellään, että lämmön johtamisen nopeus tasaisen kerroksen läpi on verrannollinen eroon lämpötilan läpi ja lämmönsiirtoalueelle, mutta se on kääntäen verrannollinen kyseisen kerroksen paksuuteen; on seuraava yhtälö:

Missä suhteellisuusvakio k on Lämmönjohtokyky materiaalista, mikä mittaa materiaalin kykyä johtaa lämpöä. Rajoittavassa tapauksessa Δxà0 edellinen yhtälö pienenee sen differentiaalimuodoksi:

Eroilmoitusta kutsutaan Fourierin lämmönjohtamislaki, J: n kunniaksi Fourier, joka ilmaisi sen ensimmäisen kerran tekstissään lämmönsiirrosta vuonna 1822. DT / dx-osa kutsutaan Lämpötilan kaltevuus, joka on lämpötilakäyrän kaltevuus T-x-kaaviossa, toisin sanoen lämpötilan muutosnopeus suhteessa x: ään, materiaalin paksuuteen paikassa x. Lopuksi, Fourierin lämmönjohtamislaki osoittaa, että lämmönjohtamisnopeus yhteen suuntaan on verrannollinen lämpötilan gradienttiin siinä suunnassa. Lämpö johdetaan lämpötilan laskun suuntaan ja lämpötilagradientista tulee negatiivinen, kun jälkimmäinen pienenee x: n kasvaessa. Negatiivinen merkki yhtälöissä takaa, että lämmönsiirto positiivisessa x-suunnassa on positiivinen määrä.

Lämmönsiirron alue A on aina kohtisuorassa siirron suuntaan. Esimerkiksi 5 metrin pituisen, 3 metrin korkean ja 25 senttimetrin paksuisen seinän läpi tapahtuvassa lämpöhäviössä lämmönsiirtopinta-ala on A = 15 neliömetriä. On huomattava, että seinän paksuus ei vaikuta A.

Lämmönjohtokyky

 Materiaalien suuri monimuotoisuus varastoi lämpöä eri tavalla ja ominaislämmön C ominaisuus on määritelty._P mittauksena materiaalin kyvystä varastoida lämpöenergiaa. Esimerkiksi C_P= 4,18 kJ / Kg * ° C vedelle ja 0,45 kJ / Kg * ° C raudalle huoneenlämmössä osoittaa, että vesi voi varastoida melkein 10 kertaa enemmän energiaa kuin rauta massayksikköä kohti. Samoin lämmönjohtavuus k on mitta materiaalin lämmönjohtokyvystä. Esimerkiksi k = 0,608 W / m * ° C vedelle ja 80,2 W / m * ° C raudalle huoneenlämmössä osoittaa, että rauta johtaa lämpöä yli 100 kertaa nopeammin kuin vesi. Siksi veden sanotaan olevan huono lämmönjohdin suhteessa rautaan, vaikka vesi on erinomainen väliaine lämpöenergian varastoimiseksi.

On myös mahdollista käyttää Fourierin lämmönjohtamislakia määrittelemään lämmönjohtavuus nopeudeksi lämmönsiirto materiaalin paksuuden yksikköä kohti pinta-alayksikköä kohti lämpötilaeroa kohti. Materiaalin lämmönjohtavuus mittaa materiaalin kykyä johtaa lämpöä. Korkea lämmönjohtavuusarvo osoittaa, että materiaali on hyvä lämmönjohdin, ja pieni arvo osoittaa, että se on huono johdin tai että se on Eristävä lämpö.

Lämpöhajonta

 Toinen materiaalien ominaisuus, joka osallistuu lämmönjohtamisen analyysiin siirtymäkauden aikana (tai muutos) on lämpöhajonta, joka kuvaa kuinka nopeasti lämpö diffundoituu materiaalin läpi ja määritellään seuraavasti jatka:

Osoittimen k ollessa lämmönjohtavuus ja aineen tiheyden nimittäjän tulo ominaislämmöllä edustaa lämpökapasiteettia. Lämmönjohtavuus osoittaa kuinka hyvin materiaali johtaa lämpöä, ja lämpökapasiteetti edustaa kuinka paljon energiaa materiaali varastoi tilavuusyksikköä kohti. Siksi materiaalin lämpödiffuusiokyky voidaan ajatella materiaalin läpi johdetun lämmön ja tilavuusyksikköä kohti varastoidun lämmön välisenä suhteena.

Materiaalilla, jolla on korkea lämmönjohtavuus tai alhainen lämpökapasiteetti, on viime kädessä korkea lämmön diffuusio. Mitä suurempi lämpöhajonta, sitä nopeammin lämpö etenee väliaineeseen. Toisaalta pieni lämpödiffuusion arvo tarkoittaa, että materiaali absorboi suurimmaksi osaksi lämpöä ja pieni määrä tätä lämpöä johdetaan edelleen.

Esimerkiksi naudanlihan ja veden lämpöhajotukset ovat samat. Logiikka on siinä, että liha, samoin kuin tuoreet vihannekset ja hedelmät, koostuu suurimmaksi osaksi vedestä ja siten sillä on lämpöominaisuudet.