Parliamo di cos'è il trasferimento di calore. Questo termine si riferisce al processo di trasferimento di energia nella materia. È caratterizzato da un meccanismo complesso, descritto dall'equazione del calore.
Varietà del trasferimento di calore
Come viene classificato il trasferimento di calore? Conduzione del calore, convezione, irraggiamento sono le tre modalità di trasferimento dell'energia che esistono in natura.
Ognuno di loro ha le sue caratteristiche distintive, caratteristiche, applicazioni nella tecnologia.
Conducibilità termica
La quantità di calore è intesa come la somma dell'energia cinetica delle molecole. Quando si scontrano, sono in grado di trasferire parte del loro calore alle particelle fredde. La conducibilità termica si manifesta al massimo nei solidi, meno tipica dei liquidi, assolutamente non tipica delle sostanze gassose.
Come esempio che conferma la capacità dei solidi di trasferire calore da un'area all' altra, considera il seguente esperimento.
Se fissi i bottoni di metallo su un filo d'acciaio, poi avvicini l'estremità del filo a una lampada a spirito ardente, gradualmente i bottoni inizieranno a staccarsi da esso. Quando vengono riscaldate, le molecole iniziano a muoversi a una velocità maggiore, più spessoscontrarsi tra loro. Sono queste particelle che danno la loro energia e calore alle regioni più fredde. Se liquidi e gas non forniscono un deflusso di calore sufficientemente rapido, ciò porta a un forte aumento del gradiente di temperatura nella regione calda.
Radiazione termica
Rispondendo alla domanda su quale tipo di trasferimento di calore sia accompagnato dal trasferimento di energia, è necessario notare questo particolare metodo. Il trasferimento radiante comporta il trasferimento di energia per radiazione elettromagnetica. Questa variante si osserva ad una temperatura di 4000 K ed è descritta dall'equazione di conduzione del calore. Il coefficiente di assorbimento dipende dalla composizione chimica, dalla temperatura, dalla densità di un determinato gas.
Il trasferimento di calore dell'aria ha un certo limite, all'aumentare del flusso di energia aumenta il gradiente di temperatura, aumenta il coefficiente di assorbimento. Dopo che il valore del gradiente di temperatura supera il gradiente adiabatico, si verificherà la convezione.
Cos'è il trasferimento di calore? Questo è il processo fisico di trasferimento di energia da un oggetto caldo a uno freddo per contatto diretto o attraverso una partizione che separa i materiali.
Se i corpi di uno stesso sistema hanno temperature diverse, il processo di trasferimento di energia avviene fino a quando non si stabilisce l'equilibrio termodinamico tra di loro.
Funzioni di trasferimento di calore
Cos'è il trasferimento di calore? Quali sono le caratteristiche di questo fenomeno? Non puoi fermarlo completamente, puoi soloridurre la sua velocità? Il trasferimento di calore è usato in natura e tecnologia? È il trasferimento di calore che accompagna e caratterizza molti fenomeni naturali: l'evoluzione dei pianeti e delle stelle, i processi meteorologici sulla superficie del nostro pianeta. Ad esempio, insieme allo scambio di massa, il processo di trasferimento del calore consente di analizzare il raffreddamento evaporativo, l'essiccazione, la diffusione. Si realizza tra due vettori di energia termica attraverso una solida parete, che funge da interfaccia tra i corpi.
Il trasferimento di calore in natura e tecnologia è un modo per caratterizzare lo stato di un singolo corpo, analizzando le proprietà di un sistema termodinamico.
Legge di Fourier
Si chiama legge di conduzione del calore, perché lega la potenza totale della dispersione termica, la differenza di temperatura con l'area della sezione trasversale del parallelepipedo, la sua lunghezza e anche con il coefficiente di conducibilità termica. Ad esempio, per un vuoto, questo indicatore è quasi zero. La ragione di questo fenomeno è la concentrazione minima di particelle di materiale nel vuoto che possono trasportare calore. Nonostante questa caratteristica, nel vuoto esiste una variante del trasferimento di energia per irraggiamento. Considera l'uso del trasferimento di calore sulla base di un thermos. Le sue pareti sono raddoppiate per aumentare il processo di riflessione. L'aria viene espulsa tra di loro, riducendo la perdita di calore.
Convezione
Rispondendo alla domanda su cosa sia il trasferimento di calore, considera il processo di trasferimento di calore nei liquidio nei gas per miscelazione spontanea o forzata. Nel caso della convezione forzata, il movimento della materia è causato dall'azione di forze esterne: pale del ventilatore, pompa. Un'opzione simile viene utilizzata in situazioni in cui la convezione naturale non è efficace.
Si osserva un processo naturale in quei casi in cui, con un riscaldamento irregolare, gli strati inferiori della sostanza vengono riscaldati. La loro densità diminuisce, si alzano. Gli strati superiori, al contrario, si raffreddano, diventano più pesanti e affondano. Inoltre, il processo viene ripetuto più volte e durante la miscelazione si osserva l'auto-organizzazione nella struttura dei vortici, si forma un reticolo regolare dalle celle di convezione.
A causa della convezione naturale, si formano nuvole, cadono precipitazioni e si spostano le placche tettoniche. È per convezione che si formano i granuli sul Sole.
L'uso corretto del trasferimento di calore garantisce la minima dispersione termica, il massimo consumo.
L'essenza della convezione
Per spiegare la convezione, puoi usare la legge di Archimede, così come l'espansione termica di solidi e liquidi. All'aumentare della temperatura, il volume del liquido aumenta e la densità diminuisce. Sotto l'influenza della forza di Archimede, un liquido più leggero (riscaldato) tende verso l' alto e gli strati freddi (densi) cadono verso il basso, riscaldandosi gradualmente.
Quando il liquido viene riscaldato dall' alto, il liquido caldo rimane nella sua posizione originale, quindi non si osserva convezione. Ecco come funziona il ciclofluido, che è accompagnato dal trasferimento di energia dalle zone calde ai luoghi freddi. Nei gas, la convezione avviene secondo un meccanismo simile.
Da un punto di vista termodinamico, la convezione è considerata una variante del trasferimento di calore, in cui il trasferimento di energia interna avviene per flussi separati di sostanze riscaldate in modo non uniforme. Un fenomeno simile si verifica in natura e nella vita di tutti i giorni. Ad esempio, i radiatori per il riscaldamento sono installati ad un' altezza minima dal pavimento, vicino al davanzale.
L'aria fredda viene riscaldata dalla batteria, quindi sale gradualmente, dove si mescola alle masse di aria fredda che scendono dalla finestra. La convezione porta all'instaurazione di una temperatura uniforme nella stanza.
Tra gli esempi comuni di convezione atmosferica ci sono i venti: monsoni, brezze. L'aria che si riscalda su alcuni frammenti della Terra si raffredda su altri, per cui circola, l'umidità e l'energia vengono trasferite.
Caratteristiche della convezione naturale
È influenzato da diversi fattori contemporaneamente. Ad esempio, il tasso di convezione naturale è influenzato dal movimento quotidiano della Terra, dalle correnti marine e dalla topografia della superficie. È la convezione che è la base per l'uscita dai crateri vulcanici e dai tubi del fumo, la formazione di montagne, il volo di vari uccelli.
In conclusione
La radiazione termica è un processo elettromagnetico con uno spettro continuo, che viene emesso dalla materia, avviene a causa dell'energia interna. Per effettuare calcoli di irraggiamento termico, inLa fisica usa il modello del corpo nero. Descrivi la radiazione termica usando la legge di Stefan-Boltzmann. La potenza di radiazione di un tale corpo è direttamente proporzionale alla superficie e alla temperatura del corpo, portata alla quarta potenza.
La conducibilità termica è possibile in tutti i corpi che hanno una distribuzione di temperatura non uniforme. L'essenza del fenomeno è il cambiamento dell'energia cinetica di molecole e atomi, che determina la temperatura del corpo. In alcuni casi, la conducibilità termica è considerata la capacità quantitativa di una determinata sostanza di condurre il calore.
I processi di scambio di energia termica su larga scala non si limitano al riscaldamento della superficie terrestre mediante irraggiamento solare.
Le forti correnti di convezione nell'atmosfera terrestre sono caratterizzate da cambiamenti delle condizioni meteorologiche in tutto il pianeta. Con le differenze di temperatura nell'atmosfera tra le regioni polari ed equatoriali, sorgono flussi di convezione: correnti a getto, alisei, fronti freddi e caldi.
Il trasferimento di calore dal nucleo terrestre alla superficie provoca eruzioni vulcaniche, il verificarsi di geyser. In molte regioni, l'energia geotermica viene utilizzata per generare elettricità, riscaldare locali residenziali e industriali.
È il calore che diventa un partecipante obbligatorio in molte tecnologie di produzione. Ad esempio, la lavorazione e la fusione dei metalli, la produzione di alimenti, la raffinazione del petrolio, il funzionamento dei motori: tutto questo viene eseguito solo in presenza di energia termica.
