Теплопроводность пример: Теплопроводность. Примеры вокруг нас

alexxlab | 01.07.1995 | 0 | Разное

Теплопроводность. Примеры вокруг нас

Способы передачи тепла

В самой обычной квартире находится множество объектов и устройств, которые помогут продемонстрировать некоторые физические явления и законы, причем из самых разных разделов этой науки — от классической механики до квантовой физики и начал теории относительности.

Например, почему окно в квартире, отделяющее ее от морозного воздуха всего двумя тонкими стеклами, сохраняет тепло? Причина заключается в особом свойстве вещества — теплопроводности.

Теплообмен, или теплопередача, — это физический процесс, при котором тепло переносится от теплого объекта к холодному (или от теплой части одного объекта к холодной). Теплопередача может происходить при непосредственном контакте двух объектов (теплопроводность), перемешивании газов или жидкостей (конвекция) и излучении тепла.

Теплопроводность — способность материала передавать через свой объем тепловой поток, возникающий вследствие разности температур на противоположных поверхностях предмета. Данное явление объясняется тем, что кинетическая энергия атомов и молекул, которая определяет температуру тела, переносится из более нагретых частей предмета к его менее нагретым частям.

Различные материалы проводят теплоту по-разному: одни быстрее (например, металлы), другие медленнее (теплоизоляционные материалы). Воздух — очень плохой проводник тепла, если только он не движется. А вот перемещение воздуха помогает теплу переходить от одного тела к другому, в чем легко убедиться, подержав руку над пламенем (только не следует подносить ее близко к огню!). Поэтому такие вещества или устройства, внутри которых удерживается воздух, превосходно останавливают утечку тепла. Про них можно сказать, что они хорошие тепло-изоляторы. Именно таковы наши окна.

Отдаваемое нашим телом тепло нагревает верхние слои холодного предмета. Но если он обладает высокой теплопроводностью (как металл), то энергия быстро растекается по всему его объему, рост температуры оказывается незначительным, и перетекание тепла продолжается — мы чувствуем, что предмет остается холодным.

Высокая теплопроводность металлов объясняется наличием в них свободных электронов — тех самых, что обеспечивают электропроводность металлов. Электроны в металлах, в отличие от атомов, не остаются на месте, а быстро перемещаются по всему объему тела, перенося при этом тепло.

Что произойдет, если обычный чайник или кастрюлю с водой поставить на плиту (неважно какую — газовую или электрическую)? Молекулы горящего газа или раскаленной электрической спирали станут двигаться намного быстрее, чем до включения плиты. Потому-то они и горячие — газ и спираль. Эти быстрые молекулы ударяются о молекулы металла на внешней стороне донышка чайника, и те, в свою очередь, начинают двигаться быстрее. Затем уже они соударяются с молекулами, находящимися повыше, которые тоже начинают бегать интенсивнее. Вот так, от молекулы к молекуле, это быстрое тепловое движение передается через металл к жидкости в чайнике.

ОТ ЧЕГО ЗАВИСИТ ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ?

Теплопроводность зависит от плотности материала, его строения, пористости, а также от того, как упорядочены атомы в веществе. С увеличением средней плотности теплопроводность возрастает, а чем выше пористость (меньше плотность) материала, тем ниже теплопроводность. У металлов атомы упакованы плотно и упорядоченно, поэтому теплопроводность металлов очень высока — они быстро отдают и получают тепло. В газах основную часть объема составляет пустота, молекулы в газе встречаются редко и пробегают большие расстояния, пока не столкнутся друг с другом, поэтому газы плохо передают тепло и являются хорошими теплоизоляторами. Чем менее плотный газ, тем медленнее он передает тепло. К примеру, в космосе, где царит почти абсолютная пустота (вакуум), тепло передается только путем излучения.

Поделиться ссылкой

13 примеров теплопроводности: подробные пояснения

В этой статье обсуждаются примеры теплопроводности. Это способ передачи тепла, который происходит при столкновении молекул, присутствующих в среде.

Тепло — это энергия, существующая между двумя разностями, которые термически отличаются друг от друга, то есть они оба имеют разные температуры. Тепловая энергия течет так же, как ветер. Он течет из системы с более высокой температурой в систему с более низкой. Одним из таких типов является теплопроводность.

• Ложка нагревается при соприкосновении с горячим сосудом
• Мы чувствуем жар после прикосновения к горячему предмету
• Разогрев мышц с помощью грелки
• Тепло от жидкости делает чашку горячей
• Когда ты держишь теплые руки, твои руки тоже становятся теплыми.
• Гладить одежду
• Прогулка по горячему песку
• Прикосновение к лампочке
• Прикосновение к горячей печке
• Таяние льда при попадании на горячую сковороду
• Тающий шоколад в руке
• Неглубокое обжаривание таких продуктов, как котлеты
• Прикосновение к глушителю автомобиля
• Положить руки в горячую воду
• Прикосновение ко льду

Примеры теплопроводности

Мы можем видеть тепловое проводимость происходит почти каждый день в нашей повседневной жизни. Это ответственно за то, что мы обгораем, когда прикасаемся к горячему предмету. Давайте посмотрим на различные примеры теплопроводности. Они приведены ниже-

Ложка нагревается при соприкосновении с горячим сосудом

Молекулы сосуда непрерывно вибрируют при высоких энергиях. Эта энергия передается молекулам ложки, которая, в свою очередь, нагревается. Таким образом передача тепла происходит между ложкой и сосудом за счет теплопроводности.

Мы чувствуем жар после прикосновения к горячему предмету

Подобно примеру с ложкой и сосудом, молекулы горячего предмета передают энергию нашей коже, что дает нам ощущение тепла. Это также пример теплового проводимость, так как ощущение тепла возникает после контакта.

Разогрев мышц с помощью грелки

Грелка имеет молекулы высокой энергии, эта энергия передается коже, а затем мышцам. Таким образом, мы чувствуем себя расслабленными, когда тепло достигает наших мышц. Это также пример теплопроводности.

Тепло от жидкости делает чашку горячей

Молекулы тепла движутся с большой энергией, эта энергия передается поверхности чашки, контактирующей с жидкостью.

Когда ты держишь теплые руки, твои руки тоже становятся теплыми.

В теплой руке больше энергии, чем в более холодной. Более холодная рука становится теплой, когда на нее передается энергия. Передача энергии происходит до тех пор, пока обе руки не станут одинаковой температуры.

Гладить одежду

Горячий утюг передает тепло одежде. Это пример теплового проводимость между одеждой и утюгом.

Прогулка по горячему песку

Горячий песок передает тепло нашим ногам, когда мы ходим по нему. Вот почему наши ноги обгорают, когда мы ходим по песку с очень высокой температурой. Теплопроводность происходит между ногами и песком.

Прикосновение к лампочке

Поверхность лампочки очень горячая. При прикосновении к ней тепло передается от поверхности лампочки к нашим рукам, поэтому мы чувствуем тепло после прикосновения к ней.

Прикосновение к горячей печке

Плита находится в более высоком энергетическом состоянии, после прикосновения к которой наши руки обжигаются из-за теплообмена между печкой и нашей рукой.Изображение: Печь, окруженная кирпичами, защищает наши руки от ожогов

Изображение кредита: Оккисафайр, Индонезийская кирпичная печь, CC BY-SA 4.0

Таяние льда при попадании на горячую сковороду

Горячая сковорода передает тепло блоку льда. Лед начинает таять, как только температура начинает подниматься выше 0 градусов. По мере того, как тепло передается от сковороды, температура ледяного блока увеличивается и начинает таять.

Тающий шоколад в руке

Как и в примере с ледяным блоком, шоколад начинает таять, как только поглощает тепло руки. Это происходит из-за теплопроводности.

Неглубокое обжаривание таких продуктов, как котлеты

Поверхностное обжаривание включает передачу тепла от сковороды к котлете. Между котлетой и сковородой происходит теплопроводность.

Прикосновение к глушителю автомобиля

Глушитель становится горячим, как только автомобиль заводится и используется некоторое время, тепло от глушителя сразу же передается нашей ноге/руке, когда мы прикасаемся к нему. Это связано с большой разницей температур между ними. Рекомендуется держаться подальше от глушителей, так как они иногда сильно нагреваются, особенно сразу после использования автомобиля.

Положить руки в горячую воду

Энергия горячей воды передается в руки. Таким образом, происходит теплопроводность между горячей водой и рукой.

Прикосновение ко льду

Лед холоднее наших рук, поэтому тепло передается от наших рук к ледяной глыбе. Это происходит с помощью теплопроводности между ледяной глыбой и нашими руками.

Что такое тепло?

Энергия, протекающая между двумя системами только потому, что их температуры различны, называется теплом.

Поток тепло происходит подобно тому, как дует ветер. Источником теплового потока является система с более высокой температурой, теплота переходит от этой системы к системе с более низкой температурой. В противном случае для передачи тепла требуется внешняя помощь таких устройств, как тепловой насос.

В этой статье мы увидим различные виды теплопередачи.

Режимы теплопередачи

Передача тепла от системы к системе может осуществляться различными способами. Иногда ему нужна среда, а иногда он путешествует в вакууме.

Мы увидим различные способы передачи тепла от одной системы к другой. Они обсуждаются ниже-

• Теплопередача теплопроводностью Теплопроводность — это способ передачи тепла, при котором он передается с помощью столкновения молекул, находящихся в среде. Молекулы продолжают вибрировать и передавать энергию от одного объекта к другому. Этот тип теплопередачи требует, чтобы оба объекта находились в контакте.
• Конвекция– Конвекция – это способ теплообмена, при котором тепло передается в результате движения частиц жидкости между двумя средами. Жидкостью может быть вода или даже воздух. Вот почему нам становится жарко, когда мы стоим рядом с кипящей водой.
• излучения– Эта форма теплопередачи может иметь место в вакууме и определяется как теплопередача, происходящая в виде волн или частиц в пространстве.

Что такое теплопроводность?

Теплопроводность — это тип теплопередачи, который происходит между двумя системами, находящимися в контакте.

Молекулы внутри этих систем сталкиваются друг с другом для передачи тепла из одного места в другое. Этот тип теплопроводности обязательно требует контакта между двумя системами для осуществления теплопередачи.

Что такое теплопроводность?

Подобно электропроводности, которая представляет собой способность материала проводить электричество, теплопроводность также означает способность материала проводить передачу тепла.

Даже форма поперечного сечения может влиять на значение теплопроводности. Мы изучим больше о теплопроводности в разделах ниже.

Теплопередача через различные поперечные сечения

Теплопередача также зависит от формы поперечного сечения. Для цилиндра он другой, для шара другой и для кубоида другой.

Формула теплопередачи для различных форм приведена ниже:

• Прямоугольная плита-

Теплопередача через прямоугольную плиту происходит нормально к поперечному сечению. Формула теплопередачи для прямоугольной плиты приведена ниже:

где,

k – теплопроводность материала

А – площадь поперечного сечения

Дельта Т – разница температур между двумя концами плиты.

Дельта х – длина теплопередачи

• Сфера-

Формула теплопередачи через сферическую оболочку приведена ниже:

где,

a и b – радиусы внешней и внутренней сферы соответственно.

Ta – температура на поверхности сферы радиусом a

Tb – температура на поверхности сферы радиусом b

• Цилиндрическая оболочка-

Цилиндрическая оболочка состоит из двух цилиндров с внутренним радиусом b и внешним радиусом a. Формула теплопередачи через цилиндрическую оболочку приведена ниже: Q = 2πkL (Т_a – Т_b /лн^{б / у} )

где,

а – радиус внешнего цилиндра

b – радиус внутреннего цилиндра

Ta – температура поверхности внешнего цилиндра

Tb – температура поверхности внутреннего цилиндра

Теплопроводность: определение, единицы измерения, уравнение и пример

Когда вы идете по ковру в холодный зимний день, ваши ноги не чувствуют холода. Однако, как только вы ступаете на кафельный пол в ванной комнате, ваши ноги мгновенно мерзнут. На двух этажах какая-то разная температура?

Вы, конечно, не ожидали, что они будут такими, учитывая то, что вы знаете о тепловом равновесии. Так почему же они чувствуют себя такими разными? Причина связана с теплопроводностью.

Теплопередача

Тепло — это энергия, которая передается между двумя материалами из-за разницы температур. Теплота переходит от объекта с более высокой температурой к объекту с более низкой температурой до тех пор, пока не будет достигнуто тепловое равновесие. Способы передачи тепла включают теплопроводность, конвекцию и излучение.

Тепловая ​ проводимость ​ — это режим, который более подробно обсуждается далее в этой статье, но вкратце это передача тепла посредством прямого контакта. По сути, молекулы более теплого объекта передают свою энергию молекулам более холодного объекта посредством столкновений, пока оба объекта не станут одинаковой температуры.

В ​ конвекции ​ тепло передается посредством движения. Представьте себе воздух в вашем доме в холодный зимний день. Вы замечали, что большинство обогревателей обычно располагаются у пола? Когда обогреватели нагревают воздух, этот воздух расширяется. Когда он расширяется, он становится менее плотным и поэтому поднимается над более холодным воздухом. В этом случае более холодный воздух находится рядом с нагревателем, поэтому воздух может нагреваться, расширяться и т. д. Этот цикл создает конвекционные потоки и заставляет тепловую энергию рассеиваться по воздуху в помещении, перемешивая воздух по мере его нагревания.

Атомы и молекулы испускают электромагнитное излучение ​, которое представляет собой форму энергии, способную перемещаться в космическом вакууме. Вот как тепловая энергия теплого огня достигает вас, и как тепловая энергия солнца попадает на Землю.

Определение теплопроводности

Теплопроводность — это мера того, насколько легко тепловая энергия проходит через материал или насколько хорошо этот материал может передавать тепло. Насколько хорошо происходит теплопроводность, зависит от тепловых свойств материала.

Рассмотрим плиточный пол в примере в начале. Это лучший проводник, чем ковер. Вы можете сказать только на ощупь. Когда ваши ноги стоят на кафельном полу, тепло покидает вас гораздо быстрее, чем когда вы стоите на ковре. Это связано с тем, что плитка позволяет теплу от ваших ног проходить через нее намного быстрее.

Так же, как удельная теплоемкость и скрытая теплота, проводимость является свойством конкретного материала. Он обозначается греческой буквой κ (каппа) и обычно просматривается в таблице. Единицами проводимости в СИ являются ватты на метр × Кельвин (Вт/мК).

Предметы с высокой теплопроводностью являются хорошими проводниками, а предметы с низкой теплопроводностью — хорошими изоляторами. Здесь приведена таблица значений теплопроводности.

Как видите, объекты, которые часто кажутся «холодными» на ощупь, например металлы, являются хорошими проводниками. Обратите также внимание на то, насколько хорошим теплоизолятором является воздух. Вот почему большие пушистые куртки согревают вас зимой: они захватывают большой слой воздуха вокруг вас. Пенополистирол также является отличным изолятором, поэтому он используется для сохранения еды и напитков теплыми или холодными.

Как тепло распространяется через материал

По мере того как тепло распространяется через материал, в материале существует температурный градиент от конца, ближайшего к источнику тепла, к самому дальнему от него концу.

По мере прохождения тепла через материал и до достижения равновесия край, ближайший к источнику тепла, будет самым теплым, и температура будет линейно уменьшаться до самого низкого уровня на дальнем конце. Однако по мере приближения материала к равновесию этот градиент выравнивается.

Теплопроводность и тепловое сопротивление

То, насколько хорошо тепло может проходить через объект, зависит не только от проводимости этого объекта, но также от размера и формы объекта. Представьте себе длинный металлический стержень, проводящий тепло от одного конца к другому. Количество тепловой энергии, которое может пройти через него в единицу времени, будет зависеть от длины стержня, а также от размера окружности стержня. Здесь в игру вступает понятие теплопроводности.

Теплопроводность материала, такого как железный стержень, определяется по формуле:

C=\frac{\kappa A}{L}

, где A – площадь поперечного сечения материала, L – длина, а κ – коэффициент теплопроводности. Единицами проводимости в системе СИ являются Вт/К (ватт на кельвин). Это позволяет интерпретировать κ как теплопроводность единицы площади на единицу толщины.

И наоборот, тепловое сопротивление определяется как:

R=\frac{L}{\kappa A}

Это просто обратная величина проводимости. Сопротивление является мерой сопротивления проходящей через него тепловой энергии. Удельное тепловое сопротивление также определяется как 1/κ.

Скорость, с которой тепловая энергия ​ Q ​ перемещается по длине ​ L ​ материала при разности температур между торцами ​ ΔT ​, определяется по формуле:

\frac{Q }{t}=\frac{\kappa A\Delta T}{L}

Это также можно записать как:

\frac{Q}{t}=C\Delta T = \frac{\Delta T} {R}

Обратите внимание, что это прямо аналогично тому, что происходит с током в электропроводности. В электропроводности ток равен напряжению, деленному на электрическое сопротивление. Электропроводность и электрический ток аналогичны теплопроводности и току, напряжение аналогично разности температур, а электрическое сопротивление аналогично тепловому сопротивлению. Применяется все та же математика.

Применение и примеры

​ Пример: ​ Полусферическое иглу из льда имеет внутренний радиус 3 м и толщину 0,4 м. Тепло уходит из иглу со скоростью, зависящей от теплопроводности льда, κ = 1,6 Вт/мК. С какой скоростью должна непрерывно вырабатываться тепловая энергия внутри иглу, чтобы внутри иглу поддерживалась температура 5 градусов Цельсия, когда на улице -30 градусов?

​ Решение: ​ Правильное уравнение для использования в этой ситуации это уравнение из предыдущего:

\frac{Q}{t}=\frac{\kappa A\Delta T}{L}

Вам дано κ, ​ ΔT ​ это просто разница температур внутри и снаружи и ​ L – толщина льда. ​ A ​ немного сложнее. Чтобы найти ​ A ​ вам нужно найти площадь поверхности полушария. Это будет половина площади поверхности сферы, которая равна 4π r ² . Для ​ r ​ можно выбрать средний радиус (радиус внутренней части иглу + половина толщины льда = 3,2 м), поэтому площадь тогда: 92

Подставляя все в уравнение, получаем:

\frac{Q}{t} = \frac{\kappa A\Delta T}{L} = \frac{1,6\times 64,34\times 35}{0,4} = 9,000\text{ Ватт}

​ Применение: ​ Радиатор – это устройство, передающее тепло от объектов с высокой температурой воздуху или жидкости, которая затем уносит избыточную тепловую энергию. Большинство компьютеров имеют радиатор, прикрепленный к процессору.

Радиатор изготовлен из металла, который отводит тепло от ЦП, а затем небольшой вентилятор циркулирует воздух вокруг радиатора, рассеивая тепловую энергию. Если все сделано правильно, радиатор позволяет процессору работать в стабильном режиме. Насколько хорошо работает радиатор, зависит от проводимости металла, площади поверхности, толщины и температурного градиента, который можно поддерживать.

Кондуктивная теплопередача

Теплопроводность как теплопередача имеет место при наличии температурного градиента в твердой или стационарной жидкой среде.

С передачей энергии проводимости от более энергичных молекул к менее энергичным при столкновении соседних молекул. Тепло течет в направлении уменьшения температуры, поскольку более высокие температуры связаны с более высокой молекулярной энергией.

Кондуктивная теплопередача может быть выражена с помощью ” Закона Фурье “

Q = (K/S) A DT

= U A DT (1)

, где

Q = тепловая передача (W, J/S, BTU/HR) .

k = Теплопроводность материала (Вт/м·К или Вт/м ^o C, БТЕ/(ч ^o F ft ² /фут))

s = толщина материала (м, ft)

A = площадь теплопередачи (м ² , ft ² )

U = K/S

= коэффициент теплопередачи (W/(M ² K), BTU/(FT ² H ^O 114 ² H ^O 1114 ² H ^O 1114 ² H ^O

.

DT = T ₁ – T ₂

= Градиент температуры – Разница – над материалом ( ^o C, ^O F)

12. Расчет. значение

Пример – кондуктивная теплопередача

Плоская стена изготовлена ​​из твердого железа с теплопроводностью 70 Вт/м ^o C. 1 м. Температура 150 ^o C на одной стороне поверхности и 80 ^o C на другой.

Можно рассчитать кондуктивную теплопередачу через стену

q = [(70 Вт/м ^o C) / (0,05 м) ] [(1 м) (1 м)] [(150 ^o C) – (80 ^o C) ]

    = 98000 (Вт)

    = 98 (кВт)

Калькулятор теплопередачи.

С помощью этого калькулятора можно рассчитать кондуктивную теплопередачу через стену. Калькулятор является универсальным и может использоваться как для метрических, так и для имперских единиц, если использование единиц согласовано.

• Calculate overall heat transfer inclusive convection

k – thermal conductivity (W/(mK), Btu/(hr ^o F ft ² /ft))

A – Область (M ² , FT ² )

T ₁ – Температура 1 ( ^O C, ^o 111777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777779н. ₂ – температура 2 ( ^o C, ^o F)

s – толщина материала (м, фут) Тепло, проведенное через стену со слоями в термическом контакте, можно рассчитать как

Q = DT A / ((S ₁ / K ₁ 220220) 220220220220220220220220220220) + 220220) + 220) + 220) + 220) + 220) + 220) + 220) + 220) + 220) + 220) + 220) + 220) + 220). 2 / k ₂ ) + … + (s _n / k _n ))                                (2)

where 

dT = t ₁ – t ₂

    = temperature difference between inside and outside wall ( ^o C,  ^o F)

Обратите внимание, что тепловое сопротивление за счет поверхностной конвекции и излучения не включено в это уравнение. Конвекция и излучение в целом оказывают большое влияние на общие коэффициенты теплопередачи.

Пример – кондуктивная теплопередача через стенку печи

Стенка печи из 1 м ² состоит из 1,2 см толщиной внутреннего слоя из нержавеющей стали, покрытого 5 см внешним изоляционным слоем из изоляционной плиты. Температура внутренней поверхности стали составляет 800 K и температура наружной поверхности изоляционной плиты 350 K . Теплопроводность нержавеющей стали составляет 19 Вт/(м·К) , а теплопроводность изоляционной плиты составляет 0,7 Вт/(м·К) .

Кондуктивный перенос тепла через слоистую стенку можно рассчитать как / (19 Вт/(м·К) )] + [(0.05 m) / (0.7 W/(m K))] )

          = 6245 (W)

          = 6.25 kW

• Thermal conductivity metals
• Теплопроводящая изоляция перлита

Единицы теплопроводности

• БТУ/(H FT ^{2 O} F/FT)
29120 BTU/FT)
2 BTU/FT)
29220 BTU/FT).
• БТЕ/(с фут ^{2   o} F/ft)
• Btu in)/(ft² h °F)
• MW/(m ²  K/m)
• kW/( M ² К/м)
• Вт/(M ² К/м)
• Вт/(M ² К/СМ)
9 117 110 ^W/1110 W/110 W/110 W/110 W/110 W/10 W/0 W/0 W/0 W/W/CM)

110 W/CM) 9023
110 ^{W/CM) 9023}
10 W/CM) o Кл/см)
• Вт/(дюйм ^{2   o} Ф/дюйм)
• кДж/(ч м ²  K/m)
• J/(s m ^{2   o} C/m)
• kcal/(h m ^{2   o} C/m)
• cal/( s cm ^{2   o} C/cm)
• 1 W/(m K) = 1 W/(m ^o C) = 0.