העברת חום: חוקים, צורות העברה, דוגמאות - גוּפָנִי - 2025

יש העברת חום כאשר האנרגיה עוברת מגוף לגוף בגלל ההבדל בטמפרטורה בין השניים. תהליך העברת החום נפסק ברגע הטמפרטורות של הגופים במגע שווים או כאשר מוסר המגע ביניהם.

כמות האנרגיה המועברת מגוף לגוף בפרק זמן נתון נקראת חום מועבר. גוף אחד יכול לתת חום לגוף אחר, או שהוא יכול לספוג אותו, אבל החום תמיד עובר מהגוף עם הטמפרטורה הגבוהה ביותר לגוף עם הטמפרטורה הנמוכה ביותר.

איור 1. במדורה ישנם שלושת המנגנונים של העברת החום: הולכה, הסעה וקרינה. מקור: Pixabay.

יחידות החום זהות לאלה של אנרגיה ובמערכת המדידות הבינלאומית (SI) היא הג'ואל (J). יחידות חום אחרות המשמשות לעתים קרובות הן הקלוריות וה- BTU.

באשר לחוקים המתמטיים השולטים בהעברת חום, הם תלויים במנגנון המעורב בחילופי הדברים.

כאשר מוליך חום מגוף לגוף, קצב חילופי החום הוא פרופורציונלי להפרש הטמפרטורה. זה ידוע כחוק המוליכות התרמית של פורייה, מה שמוביל לחוק הקירור של ניוטון.

צורות / מנגנונים של העברת חום

הם הדרכים בהן ניתן להחליף חום בין שני גופים. שלושה מנגנונים מוכרים:

-נְהִיגָה

-הולכת חום

-קְרִינָה

בסיר כמו זה שמוצג באיור למעלה, ישנם שלושה מנגנוני העברת חום אלה:

-המתכת בסיר מחוממת בעיקר באמצעות הולכה.

-המים והאוויר מחוממים ועולים באמצעות הסעה.

-אנשים ליד הסיר מחוממים על ידי הקרינה הנפלטת.

נְהִיגָה

הולכת חום מתרחשת בעיקר במוצקים ובמיוחד במתכות.

לדוגמא, הכיריים במטבח מעבירים חום למזון שבתוך הסיר דרך מנגנון ההולכה דרך המתכת התחתונה וקירות המתכת של המכולה. בהולכה תרמית אין הובלה חומרית, אלא רק אנרגיה.

הולכת חום

מנגנון ההסעה אופייני לנוזלים וגזים. אלה כמעט תמיד פחות צפופים בטמפרטורות גבוהות יותר, מסיבה זו יש הובלה כלפי מעלה של חום ממנות הנוזל החמות יותר לאזורים הגבוהים יותר עם מנות נוזל קרות יותר. במנגנון ההסעה יש הובלה חומרית.

קְרִינָה

מנגנון הקרינה מצידו מאפשר חילופי חום בין שני גופים גם כאשר הם אינם במגע. הדוגמה המיידית היא השמש המחממת את כדור הארץ דרך החלל הריק שביניהם.

כל הגופים פולטים וקולטים קרינה אלקטרומגנטית. אם יש לכם שני גופים בטמפרטורות שונות, אפילו להיותם בוואקום, לאחר זמן מה הם יגיעו לאותה טמפרטורה בגלל חילופי חום על ידי קרינה אלקטרומגנטית.

קצב העברת חום

במערכות תרמודינמיות שיווי משקל, כמות החום הכוללת המוחלפת עם הסביבה חשובה, כך שהמערכת עוברת ממצב שיווי משקל אחד למשנהו.

לעומת זאת בהעברת חום ההתעניינות ממוקדת בתופעה החולפת, כאשר המערכות טרם הגיעו לשיווי משקל תרמי. חשוב לציין כי כמות החום מוחלפת בפרק זמן מסוים, כלומר יש מהירות של העברת חום.

דוגמאות

- דוגמאות להולכת חום

במוליכות תרמית, אנרגיית החום מועברת דרך התנגשויות בין האטומים והמולקולות של החומר, בין אם זה מוצק, נוזלי או גז.

מוצקים הם מוליכי חום טובים יותר מגזים ונוזלים. במתכות ישנם אלקטרונים חופשיים שיכולים לעבור דרך המתכת.

מכיוון שלאלקטרונים חופשיים יש ניידות רבה, הם מסוגלים להעביר אנרגיה קינטית דרך התנגשויות בצורה יעילה יותר, וזו הסיבה שלמתכות מוליכות תרמית גבוהה.

מנקודת מבט מקרוסקופית, מוליכות תרמית נמדדת ככמות החום המועברת לזמן יחידה, או זרם קלורי H:

איור 2. הולכת חום דרך מוט. הוכן על ידי פאני זפטה.

הזרם הקלורי H פרופורציונלי לחתך הרוחב של שטח A והשונות בטמפרטורה ליחידת מרחק אורך.

משוואה זו מיושמת לחישוב הזרם הקלורי H של סרגל כמו זה באיור 2, שנמצא בין שני מאגרים של טמפרטורות T ₁ ו- T ₂ בהתאמה, שם T ₁ > T ₂ .

מוליכות תרמית של חומרים

להלן רשימה של המוליכות התרמית של חומרים מסוימים בוואט למטר לקלווין: W / (m. K)

אלומיניום -------- 205

נחושת --------- 385

כסף ---------- 400

פלדה ---------– 50

פקק או פיברגלס - 0.04

בטון או זכוכית ----- 0.8

עץ ----- 0.05 עד 0.015

אוויר --------– 0.024

- דוגמאות לחום הסעה

בהסרת חום מועברת אנרגיה עקב תנועת הנוזל שבטמפרטורות שונות יש צפיפויות שונות. לדוגמא, כאשר מים רותחים בסיר, המים הסמוכים לקרקעית מעלים את הטמפרטורה שלהם, כך שהם מתרחבים.

התרחבות זו גורמת למים החמים לעלות, ואילו הקרה יורדת לתפוס את החלל שהותיר המים החמים שעלו. התוצאה היא תנועת זרימת דם שנמשכת עד שהטמפרטורות בכל הרמות משתוות.

ההסעה היא שקובעת את תנועתם של מסות אוויר גדולות באטמוספירה של כדור הארץ וגם קובעת את זרימת הזרמים הימיים.

- דוגמאות לחום קרינה

במנגנונים של העברת חום באמצעות הולכה ועל ידי הסעה, נדרשת נוכחות של חומר כדי להעביר את החום. לעומת זאת, במנגנון הקרינה, חום יכול לעבור מגוף לגוף דרך ואקום.

זהו המנגנון שבאמצעותו השמש, בטמפרטורה גבוהה יותר מכדור הארץ, מעבירה אנרגיה לכוכב הלכת שלנו ישירות דרך ואקום החלל. קרינה מגיעה אלינו דרך גלים אלקטרומגנטיים.

כל החומרים מסוגלים לפלוט ולקלוט קרינה אלקטרומגנטית. המקסימום של התדר שנפלט או נספג תלוי בטמפרטורת החומר ותדר זה עולה עם הטמפרטורה.

אורך הגל השולט בספקטרום הפליטה או הקליטה של ​​גוף שחור עוקב אחר חוקו של וינה, הקובע כי אורך הגל השולט הוא פרופורציונאלי להיפוך לטמפרטורת הגוף.

לעומת זאת, ההספק (בוואט) שאיתו גוף פולט או קולט אנרגיית חום על ידי קרינה אלקטרומגנטית הוא פרופורציונלי לכוח הרביעי של הטמפרטורה המוחלטת. זה ידוע כחוקו של סטפן:

P = εAσT ⁴

בביטוי לעיל σ הוא קבוע של סטפן וערכו הוא 5.67 x 10-8 W / m ² K ⁴ . A הוא שטח הפנים של הגוף ו ε הוא הנפלטות של החומר, קבוע חסר ממדים שערכו הוא בין 0 ל 1, ותלוי בחומר.

התרגיל נפתר

שקול את המוט באיור 2. נניח שהמוט אורך 5 ס"מ, רדיוס 1 ס"מ, ועשוי נחושת.

המוט ממוקם בין שני קירות השומרים על טמפרטורתו קבועה. לקיר הראשון יש טמפרטורה T1 = 100 מעלות צלזיוס, בעוד שהקיר השני הוא T2 = 20 מעלות צלזיוס. לקבוע:

a.- הערך של הזרם התרמי H

b.- הטמפרטורה של מוט הנחושת בגובה 2 ס"מ, 3 ס"מ וב -4 ס"מ מקיר הטמפרטורה T1.

פתרון ל

כאשר מוט הנחושת ממוקם בין שני קירות שקירותיהם שומרים על אותה טמפרטורה בכל עת, ניתן לומר שהוא במצב יציב. במילים אחרות, לזרם התרמי H יש אותו ערך לכל רגע.

כדי לחשב זרם זה אנו מיישמים את הנוסחה המתייחסת לזרם H עם ההפרש בטמפרטורות ואורך המוט.

שטח החתך הוא:

A = πR ² = 3.14 * (1 × 10 ^-2 מ ') ² = 3.14 x 10 ^-4 m ²

ההבדל בטמפרטורה בין קצות המוט הוא

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

Δx = 5 ס"מ = 5 x 10 ^-2 מ '

H = 385 W / (m K) * 3.14 x 10 ^-4 m ² * (80K / 5 x 10 ^-2 m) = 193.4 W

זרם זה זהה בכל נקודה על הבר ובכל רגע, מכיוון שהמצב היציב הגיע.

פיתרון ב

בחלק זה אנו מתבקשים לחשב את הטמפרטורה Tp בנקודה P הממוקמת במרחק Xp מהקיר T ₁ .

הביטוי שנותן את הזרם הקלורי H בנקודה P הוא:

מביטוי זה ניתן לחשב את Tp על ידי:

בואו נחשב את הטמפרטורה Tp במיקומים של 2 ס"מ, 3 ס"מ ו -4 ס"מ בהתאמה, ונחליף ערכים מספריים:

• Tp = 340.6K = 67.6 ° C; 2 ס"מ מ- T1
• Tp = 324.4K = 51.4 ° C; 3 ס"מ מ- T1
• Tp = 308.2K = 35.2 ° C; 4 ס"מ מ- T1

הפניות

1. Figueroa, D. 2005. סדרה: פיזיקה למדעים והנדסה. נפח 5. נוזלים ותרמודינמיקה. נערך על ידי דאגלס פיגארואה (USB).
2. Kirkpatrick, L. 2007. פיזיקה: מבט על העולם. המהדורה המקוצר השישי. לימוד Cengage.
3. Lay, J. 2004. Physics General for מהנדסים. ארה"ב.
4. Mott, R. 2006. מכניקת נוזלים. רביעי. מַהֲדוּרָה. פירסון חינוך.
5. Strangeways, I. 2003. מדידת הסביבה הטבעית. 2. מַהֲדוּרָה. הוצאת אוניברסיטת קיימברידג '.
6. ויקיפדיה. מוליכות תרמית. התאושש מ: es.wikipedia.com