2024 Kirjoittaja: Howard Calhoun | [email protected]. Viimeksi muokattu: 2023-12-17 10:26
Kaikella aineellisella kappaleella on sellainen ominaisuus kuin lämpö, joka voi lisääntyä ja laskea. Lämpö ei ole aineellinen aine: osana aineen sisäistä energiaa se syntyy molekyylien liikkeen ja vuorovaikutuksen seurauksena. Koska eri aineiden lämpö voi vaihdella, on olemassa prosessi, jossa lämpö siirtyy kuumemmasta aineesta vähemmän lämpöön. Tätä prosessia kutsutaan lämmönsiirroksi. Käsittelemme tässä artikkelissa lämmönsiirron päätyyppejä ja niiden toimintamekanismeja.
Lämmönsiirron määritys
Lämmönsiirto eli lämpötilan siirtymisprosessi voi tapahtua sekä aineen sisällä että aineesta toiseen. Samalla lämmönsiirron intensiteetti riippuu suurelta osin aineen fysikaalisista ominaisuuksista, aineiden lämpötilasta (jos lämmönsiirtoon osallistuu useita aineita) ja fysiikan laeista. Lämmönsiirto on prosessi, joka etenee aina yksipuolisesti. Lämmönsiirron pääperiaate on, että kuumin kappale luovuttaa aina lämpöä esineelle, jonka lämpötila on alhaisempi. Esimerkiksi vaatteita silittäessä kuuma silitysrautaantaa lämpöä housuille, eikä päinvastoin. Lämmönsiirto on ajasta riippuva ilmiö, joka luonnehtii lämmön peruuttamatonta jakautumista avaruudessa.
Lämmönsiirtomekanismit
Aineiden lämpövuorovaikutuksen mekanismit voivat olla erilaisia. Luonnossa on kolmenlaisia lämmönsiirtoja:
- Lämmönjohtavuus on mekanismi, joka siirtää molekyylien välistä lämpöä kehon yhdestä osasta toiseen tai toiseen esineeseen. Ominaisuus perustuu tarkasteltavien aineiden lämpötilan epähomogeenisuuteen.
- Konvektio - lämmönvaihto nesteen (neste, ilma) välillä.
- Säteilytoiminta on lämmön siirtymistä kuumennetuista ja kuumennetuista kappaleista (lähteistä) niiden energian vuoksi sähkömagneettisten a altojen muodossa, joiden spektri on vakio.
Katsotaanpa lueteltuja lämmönsiirtotyyppejä tarkemmin.
Lämmönjohtavuus
Lämmönjohtavuus havaitaan useimmiten kiinteissä aineissa. Jos samassa aineessa esiintyy jonkin tekijöiden vaikutuksesta alueita, joilla on eri lämpötila, lämpöenergia kuumemmasta alueesta siirtyy kylmään. Joissakin tapauksissa tämä ilmiö voidaan havaita jopa visuaalisesti. Jos esimerkiksi otamme metallitangon, esimerkiksi neulan, ja kuumennamme sitä tulessa, jonkin ajan kuluttua näemme, kuinka lämpöenergia siirtyy neulan läpi muodostaen hehkun tietylle alueelle. Samaan aikaan paikassa, jossa lämpötila on korkeampi, hehku on kirkkaampaa ja päinvastoin, missä t on pienempi, se on tummempaa. Lämmön johtuminen voidaan havaita myös kahden kehon välillä (muki kuumaa teetä ja käsi)
Lämmönsiirron intensiteetti riippuu monista tekijöistä, joiden suhteen ranskalainen matemaatikko Fourier paljasti. Näitä tekijöitä ovat ensisijaisesti lämpötilagradientti (sauvan päiden lämpötilaeron suhde etäisyyteen toisesta päästään), rungon poikkileikkauspinta-ala ja lämmönjohtavuuskerroin (se on erilainen kaikilla aineilla, mutta korkein havaitaan metalleissa). Merkittävin lämmönjohtavuuskerroin havaitaan kuparissa ja alumiinissa. Ei ole yllättävää, että näitä kahta metallia käytetään useammin sähköjohtojen valmistuksessa. Fourierin lain mukaan lämpövirtaa voidaan lisätä tai vähentää muuttamalla jotakin näistä parametreista.
Lämmönsiirron konvektiotyypit
Konvektiolla, joka on tyypillistä pääasiassa kaasuille ja nesteille, on kaksi komponenttia: molekyylien välinen lämmönjohtavuus ja väliaineen liike (jakautuminen). Konvektion vaikutusmekanismi tapahtuu seuraavasti: nestemäisen aineen lämpötilan noustessa sen molekyylit alkavat liikkua aktiivisemmin, ja tilarajoitusten puuttuessa aineen tilavuus kasvaa. Tämän prosessin seurauksena aineen tiheys ja sen ylöspäin suuntautuva liike vähenee. Hämmästyttävä esimerkki konvektiosta on jäähdyttimen lämmittämän ilman liike paristosta kattoon.
Erottele vapaan ja pakotetun konvektiivisen lämmönsiirron tyypit. Lämmönsiirto ja massan liikkuminen vapaassa tyypissä tapahtuu aineen heterogeenisyyden vuoksi, eli kuuma neste nousee kylmän luonnollisen yläpuolelleilman ulkoisten voimien vaikutusta (esim. huoneen lämmitys keskuslämmityksellä). Pakotetussa konvektiossa massan liike tapahtuu ulkoisten voimien vaikutuksesta, esimerkiksi sekoittamalla teetä lusikalla.
Säteilevä lämmönsiirto
Säteilevä tai säteilylämmönsiirto voi tapahtua ilman kosketusta toiseen esineeseen tai aineeseen, joten se on mahdollista jopa ilmattomassa tilassa (tyhjiö). Säteilylämmönsiirto on enemmän tai vähemmän luontaista kaikille kappaleille ja ilmenee jatkuvan spektrin sähkömagneettisten a altojen muodossa. Hyvä esimerkki tästä on aurinko. Vaikutusmekanismi on seuraava: keho säteilee jatkuvasti tietyn määrän lämpöä sitä ympäröivään tilaan. Kun tämä energia osuu toiseen esineeseen tai aineeseen, osa siitä imeytyy, toinen osa kulkee läpi ja kolmas osa heijastuu ympäristöön. Mikä tahansa esine voi sekä säteillä että absorboida lämpöä, kun taas tummat aineet pystyvät absorboimaan enemmän lämpöä kuin vaaleat.
Yhdistetyt lämmönsiirtomekanismit
Luonnossa lämmönsiirtoprosessityyppejä löytyy harvoin erikseen. Paljon useammin heidät voidaan nähdä yhdessä. Termodynamiikassa näillä yhdistelmillä on jopa nimiä, esimerkiksi lämmönjohtavuus + konvektio on konvektiivista lämmönsiirtoa ja lämmönjohtavuutta + lämpösäteilyä kutsutaan säteily-johtavaksi lämmönsiirroksi. Lisäksi on olemassa sellaisia yhdistettyjä lämmönsiirtotyyppejä, kuten:
- Lämmön hajoaminen -lämpöenergian liike kaasun tai nesteen ja kiinteän aineen välillä.
- Lämmönsiirto on t:n siirtymistä aineesta toiseen mekaanisen esteen kautta.
- Konvektio-säteilylämmönsiirto muodostuu yhdistämällä konvektio ja lämpösäteily.
Lämmönsiirron tyypit luonnossa (esimerkkejä)
Lämmönsiirrolla luonnossa on v altava rooli, eikä se rajoitu auringonsäteiden aiheuttamaan maapallon lämmittämiseen. Laajat konvektiovirrat, kuten ilmamassojen liikkeet, määräävät suurelta osin sään koko planeetallamme.
Maan ytimen lämmönjohtavuus johtaa geysirien ilmaantumiseen ja vulkaanisten kivien purkautumiseen. Nämä ovat vain muutamia esimerkkejä lämmönsiirrosta maailmanlaajuisesti. Yhdessä ne muodostavat konvektiivisen lämmönsiirron ja säteilyä johtavan lämmönsiirron tyypit, jotka ovat välttämättömiä elämän ylläpitämiseksi planeetallamme.
Lämmönsiirron käyttö antropologisessa toiminnassa
Lämpö on tärkeä osa lähes kaikkia tuotantoprosesseja. On vaikea sanoa, minkä tyyppistä lämmönvaihtoa ihminen käyttää eniten kansantaloudessa. Varmaan kaikki kolme yhtä aikaa. Lämmönsiirtoprosesseja käytetään metallien sulattamiseen, mikä tuottaa laajan valikoiman tavaroita jokapäiväisistä tavaroista avaruusaluksiin.
Sivilisaation kann alta äärimmäisen tärkeitä ovat lämpöyksiköt, jotka pystyvät muuttamaan lämpöenergian hyödylliseksi tehoksi. Joukossaniitä voidaan kutsua bensiini-, diesel-, kompressori-, turbiiniyksiköiksi. He käyttävät työssään erilaisia lämmönsiirtotyyppejä.
