Undang -undang pemindahan haba, bentuk penghantaran, contoh

Ada pemindahan haba Apabila tenaga pergi dari satu badan ke badan yang lain kerana perbezaan suhu antara keduanya. Proses pemindahan haba berhenti sebaik sahaja suhu badan bersentuhan disamakan atau apabila hubungan di antara mereka ditindas.

Jumlah tenaga yang dipindahkan dari satu badan ke badan yang lain dalam tempoh tertentu dipanggil Haba dipindahkan. Satu badan dapat memberikan haba kepada yang lain, atau dapat menyerapnya, tetapi haba selalu dari badan suhu tertinggi ke suhu terendah.

Rajah 1. Dalam api unggun, tiga mekanisme pemindahan haba diberikan: memandu, perolakan dan radiasi. Sumber: Pixabay.

Unit haba adalah sama seperti tenaga dan dalam Sistem Langkah Antarabangsa (SI) adalah Joule (J). Unit haba yang sering digunakan adalah kalori dan btu. 

Bagi undang -undang matematik yang mengawal pemindahan haba, ini bergantung kepada mekanisme yang campur tangan dalam pertukaran. 

Apabila haba dijalankan dari satu badan ke badan yang lain, kelajuan dengan haba ditukar adalah berkadar dengan perbezaan suhu. Ini dikenali sebagai Undang -undang Fourier kekonduksian terma, yang membawa kepada Undang -undang Penyejuk Newton.

[TOC]

Mekanisme penghantaran bentuk/haba

Mereka adalah cara di mana haba dapat ditukar antara dua badan. Tiga mekanisme diiktiraf:

-Memandu

-Konveksi

-Radiasi

Dalam periuk seperti yang ditunjukkan dalam angka di atas, terdapat tiga mekanisme pemindahan haba:

-Logam periuk dipanaskan dengan memandu.

-Air dan api udara dan naik dengan perolakan.

-Orang yang dekat dengan periuk dipanaskan oleh radiasi yang dipancarkan.

Memandu

Pengaliran haba berlaku kebanyakannya dalam pepejal dan khususnya dalam logam.

Contohnya, tanduk dapur menghantar panas kepada makanan di dalam periuk melalui mekanisme memandu logam dan dinding logam bekas. Dalam pengaliran haba tidak ada pengangkutan material, hanya tenaga.

Konveksi

Mekanisme perolakan adalah tipikal cecair dan gas. Hampir selalu ini kurang padat pada suhu yang lebih tinggi, oleh sebab ini terdapat pengangkutan haba dalam pengertian cecair paling panas ke kawasan yang tinggi dengan cecair yang paling sejuk. Dalam mekanisme perolakan terdapat pengangkutan material. 

Boleh melayani anda: keseimbangan yang tidak stabil: konsep dan contoh

Radiasi

Bagi pihaknya, mekanisme radiasi membolehkan pertukaran haba antara dua badan walaupun mereka tidak bersentuhan. Contoh segera ialah matahari, yang memanaskan bumi melalui ruang kosong antara kedua -dua. 

Semua badan memancarkan dan menyerap radiasi elektromagnetik. Sekiranya anda mempunyai dua mayat pada suhu yang berbeza, walaupun berada dalam vakum, selepas beberapa ketika mereka akan mencapai suhu yang sama kerana pertukaran kalori radiasi elektromagnetik.

Kelajuan pemindahan kalori

Dalam sistem termodinamik dengan seimbang ia mengimport jumlah jumlah haba yang ditukar dengan alam sekitar, sehingga sistem berlalu dari satu keseimbangan ke yang lain.

Sebaliknya, pemindahan haba, minat memberi tumpuan kepada fenomena sementara, ketika sistem belum mencapai keseimbangan terma. Adalah penting untuk diperhatikan bahawa jumlah haba ditukar dalam tempoh masa tertentu, iaitu, terdapat kelajuan pemindahan haba.

Contoh

- Contoh memandu haba

Dalam kekonduksian terma, tenaga haba ditransmisikan oleh perlanggaran antara atom dan molekul bahan, sama ada pepejal, cecair atau gas ini. 

Pepejal adalah konduktor haba yang lebih baik daripada gas dan cecair. Dalam logam terdapat elektron percuma yang boleh bergerak di sekitar logam.

Oleh kerana elektron bebas mempunyai mobiliti yang hebat, mereka dapat menghantar tenaga kinetik oleh perlanggaran dengan lebih cekap, jadi logam mempunyai kekonduksian terma yang tinggi.

Dari sudut pandangan makroskopik, kekonduksian terma diukur sebagai jumlah haba yang dipindahkan per unit masa, atau arus kalori h:

Rajah 2. Pengaliran panas melalui bar. Disediakan oleh fanny zapata.

Arus kalori H berkadar dengan bahagian silang Ke dan variasi suhu per unit jarak membujur.

Formula sebelumnya dikenali sebagai Undang -undang Fourier dan pemalar berkadar k Ia adalah kekonduksian terma. 

Persamaan ini digunakan untuk mengira arus kalori H bar seperti yang ada dalam Rajah 2, yang terletak di antara dua takungan suhu T₁ dan T₂ masing -masing, menjadi T₁> T₂.

Konduktiviti haba bahan

Di bawah terdapat senarai kekonduksian terma beberapa bahan watt di Kelvin: w/(m . K) 

Boleh melayani anda: Galileo Galilei dan undang -undang jatuh bebasnya

Aluminium -205

Tembaga -385

Perak --400

Keluli -50

Gabus atau gentian kaca- 0.04

Konkrit atau kaca -0.8

Kayu- 0.05 hingga 0.015

Udara - 0.024

- Contoh haba melalui perolakan

Dalam perolakan haba, tenaga dipindahkan kerana pergerakan cecair, yang, pada suhu yang berbeza, mempunyai kepadatan yang berbeza. Contohnya, semasa air mendidih di dalam periuk, air dekat ke bahagian bawah meningkatkan suhunya, jadi ia meluaskan.

Peleburan ini menyebabkan air panas naik, sementara sejuk yang sejuk untuk menduduki ruang yang ditinggalkan oleh air panas yang memanjat. Hasilnya adalah pergerakan peredaran yang berterusan sehingga suhu semua peringkat adalah sama.

Konvensional adalah yang menentukan pergerakan jisim udara besar atmosfera bumi dan juga menentukan peredaran arus laut.

- Contoh haba dengan sinaran

Dalam mekanisme penghantaran haba oleh pengaliran dan perolakan, kehadiran bahan diperlukan supaya haba ditransmisikan. Sebaliknya, dalam mekanisme radiasi, haba boleh lulus dari satu badan ke badan yang lain melalui kekosongan.

Inilah mekanisme di mana matahari, pada suhu yang lebih tinggi daripada bumi, menghantar tenaga ke planet kita secara langsung oleh kekosongan ruang. Sinaran mencapai kita dengan gelombang elektromagnet.

Semua bahan mampu memancarkan dan menyerap radiasi elektromagnetik. Kekerapan maksimum yang dipancarkan atau diserap bergantung pada suhu bahan dan frekuensi tersebut tumbuh dengan suhu.

Panjang gelombang yang dominan dalam spektrum pelepasan atau penyerapan badan hitam mengikuti Undang -undang Wien, yang menetapkan bahawa panjang gelombang yang dominan adalah berkadar dengan songsang suhu badan.

Sebaliknya, kuasa (dalam watt) yang mana badan memancarkan atau menyerap tenaga kalori oleh radiasi elektromagnet adalah berkadar dengan kuasa keempat suhu mutlak. Ini dikenali sebagai Undang -undang Stefan:

P = εaσt⁴

Dalam ungkapan sebelumnya σ Ia adalah pemalar Stefan dan nilainya ialah 5.67 x 10-8 w/m² K⁴. Ke Ia adalah kawasan permukaan badan dan ε Ia adalah emissivity bahan, malar tanpa dimensi yang nilainya antara 0 dan 1, dan bergantung pada bahan.

Boleh melayani anda: proses isobaric: formula, persamaan, eksperimen, latihan

Latihan diselesaikan

Pertimbangkan bar dalam Rajah 2. Katakan bar panjang 5 cm, radius 1 cm dan tembaga.

Bar diletakkan di antara dua dinding yang mengekalkan suhu malar. Dinding pertama mempunyai suhu T1 = 100ºC, manakala yang lain berada di T2 = 20ºC. Tentukan:

ke.- Nilai semasa termal h

b.- Suhu bar tembaga pada 2 cm, 3 cm dan 4 cm dari dinding suhu T1.

Penyelesaian kepada

Oleh kerana bar tembaga diletakkan di antara dua dinding yang dindingnya mengekalkan suhu yang sama pada setiap masa, boleh dikatakan bahawa ia berada di rejim pegun. Iaitu arus termal h mempunyai nilai yang sama untuk bila -bila masa.

Untuk mengira arus ini, kami menggunakan formula yang mengaitkan h semasa ke perbezaan suhu dan panjang bar.

Oleh kerana bar adalah tembaga, kita tahu dalam jadual yang sebelum ini menunjukkan bahawa kekonduksian terma k baucar: 385 w/(m k).

Bahagian silang adalah:

A = πr² = 3.14*(1 × 10^-2m)² = 3.14 x 10^-4 m²

Perbezaan suhu antara hujung bar adalah

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

Δx = 5 cm = 5 x 10^-2 m

H = 385 w/(m k) * 3.14 x 10^-4 m² * (80k /5 x 10^-2 m) = 193.4 w

Arus ini sama di mana -mana titik di bar dan pada bila -bila masa, kerana rejim pegun telah dicapai.

Penyelesaian b

Di bahagian ini kita diminta untuk mengira suhu Tp pada satu ketika P Terletak di jauh XP Mengenai dinding T₁.

Ungkapan yang memberikan arus kalori H pada titik P adalah:

H = k a (t₁ -Tp)/(xp)

Dari ungkapan ini ia dapat dikira Tp melalui:

Tp = t₁ - (H xp) / (k a) = 373 k - (193.4 w / (385 w / (m k) 3.14 x 10^-4 m²))*Xp

TP = 373 K - 1620.4 (k/m) * XP

Mari Kirakan Suhu Tp Dalam kedudukan 2 cm, 3 cm dan 4 cm masing -masing, menggantikan nilai berangka:

• Tp = 340.6k = 67.6 ºC; 2 cm dari T1
• Tp = 324.4k = 51.4 ºC; 3 cm dari T1
• Tp = 308.2k = 35.2 ºC; 4 cm dari T1

Rujukan

1. Figueroa, d. 2005. Siri: Fizik untuk Sains dan Kejuruteraan. Jilid 5. Cecair dan termodinamik. Diedit oleh Douglas Figueroa (USB).
2. Kirkpatrick, l. 2007. Fizik: Lihatlah dunia. Edisi Singkat ke -6. Pembelajaran Cengage.
3. Lay, j. 2004. Fizik Umum untuk Jurutera. USACH.
4. Mott, r. 2006. Mekanik cecair. Ke -4. Edisi. Pendidikan Pearson. 
5. Strangeways, i. 2003. Mengukur persekitaran semula jadi. 2. Edisi. Cambridge University Press.
6. Wikipedia. Kekonduksian terma. Pulih dari: Adakah.Wikipedia.com