Typy přenosu tepla: koeficient prostupu tepla

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Naposledy změněno: 2023-12-17 10:22

Každé hmotné tělo má takovou charakteristiku, jako je teplo, které se může zvyšovat a snižovat. Teplo není hmotná látka: jako součást vnitřní energie látky vzniká v důsledku pohybu a interakce molekul. Protože se teplo různých látek může lišit, existuje proces přenosu tepla z teplejší látky na látku s menším teplem. Tento proces se nazývá přenos tepla. V tomto článku zvážíme hlavní typy přenosu tepla a mechanismy jejich působení.

Určení přenosu tepla

Přenos tepla neboli proces přenosu teploty může probíhat jak uvnitř hmoty, tak z jedné látky do druhé. Intenzita přenosu tepla přitom do značné míry závisí na fyzikálních vlastnostech hmoty, teplotě látek (pokud se přenosu tepla účastní více látek) a fyzikálních zákonech. Přenos tepla je proces, který probíhá vždy jednostranně. Hlavním principem přenosu tepla je, že nejteplejší těleso vždy odevzdá teplo předmětu s nižší teplotou. Například při žehlení prádla horkou žehličkoudodává teplo kalhotám a ne naopak. Přenos tepla je časově závislý jev, který charakterizuje nevratnou distribuci tepla v prostoru.

Mechanismy přenosu tepla

Mechanismy tepelné interakce látek mohou mít různé podoby. V přírodě existují tři typy přenosu tepla:

1. Tepelná vodivost je mechanismus mezimolekulárního přenosu tepla z jedné části těla do druhé nebo do jiného objektu. Tato vlastnost je založena na nehomogenitě teploty v uvažovaných látkách.
2. Konvekce - výměna tepla mezi tekutými médii (kapalina, vzduch).
3. Působení záření je přenos tepla z ohřátých a ohřátých těles (zdrojů) v důsledku jejich energie ve formě elektromagnetických vln s konstantním spektrem.

Podívejme se na uvedené typy přenosu tepla podrobněji.

Tepelná vodivost

Nejčastěji je tepelná vodivost pozorována u pevných látek. Pokud se pod vlivem jakýchkoli faktorů ve stejné látce objeví oblasti s různými teplotami, pak tepelná energie z teplejší oblasti přejde do oblasti studené. V některých případech lze tento jev pozorovat i vizuálně. Například, když vezmeme kovovou tyč, řekněme jehlu, a zahřejeme ji na oheň, pak po nějaké době uvidíme, jak se tepelná energie přenáší přes jehlu a vytváří záři v určité oblasti. Zároveň v místě, kde je vyšší teplota, je záře jasnější a naopak, kde je t nižší, je tmavší. Vedení tepla lze také pozorovat mezi dvěma těly (hrnkem horkého čaje a rukou)

Intenzita přenosu tepelného toku závisí na mnoha faktorech, jejichž poměr odhalil francouzský matematik Fourier. Mezi tyto faktory patří především teplotní gradient (poměr rozdílu teplot na koncích tyče ke vzdálenosti od jednoho konce k druhému), plocha průřezu těla a koeficient tepelné vodivosti (je u všech látek rozdílná, ale nejvyšší je pozorována u kovů). Nejvýznamnější koeficient tepelné vodivosti je pozorován u mědi a hliníku. Není divu, že tyto dva kovy se častěji používají při výrobě elektrických drátů. Podle Fourierova zákona lze tepelný tok zvýšit nebo snížit změnou jednoho z těchto parametrů.

Konvekční typy přenosu tepla

Konvekce, která je charakteristická především pro plyny a kapaliny, má dvě složky: mezimolekulární tepelnou vodivost a pohyb (distribuci) média. Mechanismus působení konvekce probíhá následovně: se zvýšením teploty tekuté látky se její molekuly začnou aktivněji pohybovat a při absenci prostorových omezení se objem látky zvětší. Důsledkem tohoto procesu bude snížení hustoty látky a její pohyb vzhůru. Pozoruhodným příkladem konvekce je pohyb vzduchu ohřívaného radiátorem z baterie ke stropu.

Rozlišujte mezi volnými a nucenými konvektivními typy přenosu tepla. K přenosu tepla a pohybu hmoty ve volném typu dochází v důsledku heterogenity látky, to znamená, že horká kapalina stoupá nad studenou přirozenouzpůsobem bez ovlivnění vnějšími silami (např. vytápění místnosti ústředním topením). Při nucené konvekci dochází k pohybu hmoty vlivem vnějších sil, například mícháním čaje lžičkou.

Přenos tepla sáláním

K přenosu tepla sáláním nebo sáláním může dojít bez kontaktu s jiným předmětem nebo látkou, proto je možný i v bezvzduchovém prostoru (vakuum). Přenos tepla sáláním je ve větší či menší míře vlastní všem tělesům a projevuje se ve formě elektromagnetického vlnění se spojitým spektrem. Ukázkovým příkladem toho je slunce. Mechanismus účinku je následující: tělo nepřetržitě vyzařuje určité množství tepla do prostoru, který ho obklopuje. Když tato energie zasáhne jiný předmět nebo látku, část se pohltí, druhá část projde a třetí část se odrazí do okolí. Jakýkoli předmět může teplo vyzařovat i absorbovat, zatímco tmavé látky jsou schopny absorbovat více tepla než ty světlé.

Kombinované mechanismy přenosu tepla

V přírodě se typy procesů přenosu tepla zřídka vyskytují odděleně. Mnohem častěji je lze vidět pohromadě. V termodynamice mají tyto kombinace dokonce názvy, například tepelná vodivost + konvekce je přenos tepla konvekcí a tepelná vodivost + tepelné záření se nazývá radiačně-vodivý přenos tepla. Kromě toho existují takové kombinované typy přenosu tepla jako:

• Odvod tepla -pohyb tepelné energie mezi plynem nebo kapalinou a pevnou látkou.
• Přenos tepla je přenos t z jedné hmoty do druhé přes mechanickou překážku.
• Konvekčně-sálavý přenos tepla je tvořen kombinací konvekce a tepelného záření.

Typy přenosu tepla v přírodě (příklady)

Přenos tepla v přírodě hraje obrovskou roli a neomezuje se pouze na zahřívání zeměkoule slunečními paprsky. Rozsáhlé konvekční proudy, jako je pohyb vzdušných mas, do značné míry určují počasí na celé naší planetě.

Tepelná vodivost zemského jádra vede ke vzniku gejzírů a erupci vulkanických hornin. To je jen několik příkladů přenosu tepla v globálním měřítku. Společně tvoří typy přenosu tepla konvekcí a radiačně-vodivé typy přenosu tepla nezbytné k udržení života na naší planetě.

Využití přenosu tepla v antropologických aktivitách

Teplo je důležitou součástí téměř všech výrobních procesů. Těžko říci, jaký typ výměny tepla člověk v národním hospodářství nejvíce využívá. Pravděpodobně všechny tři najednou. Procesy přenosu tepla se používají k tavení kovů, čímž se vyrábí široká škála zboží od každodenních předmětů po kosmické lodě.

Mimořádně důležité pro civilizaci jsou tepelné jednotky schopné přeměnit tepelnou energii na užitečnou energii. Mezimohou být nazývány benzínovými, naftovými, kompresorovými, turbínovými jednotkami. Pro svou práci využívají různé druhy přenosu tepla.