Prenos toplote: Razlika med redakcijama

Izbrisana vsebina Dodana vsebina
MP1000 (pogovor | prispevki)
m MS 1000 je prestavil stran Prevajanje toplote na Prenos toplote prek preusmeritve: Prevajanje toplote je sicer poljuden, ampak nestrokoven in zavajujoč izraz za vrste prenosa toplotne energije, primernejši izraz je prenos toplote, ki zajema prevod, prestop in sevanje
MP1000 (pogovor | prispevki)
Brez povzetka urejanja
Vrstica 1:
'''PrevájanjePrenos toplôte''', oziroma '''prehájanje toplôte''' je spontan prenos [[toplota|toplotetoplotne]] energije z mesta z višjo [[temperatura|temperaturo]] na mesto z nižjo temperaturo. Prevajanje preneha, ko se temperaturi mest izenačita. V širšem smislu razumemo pod prevajanjem toplote tri procese:
* prevajanje toplote ali kondukcija v [[trdnina]]h mirujočih [[tekočina]]h
* prestop toplote ali [[konvekcija|konvekcijo]] v tekočinah
* [[sevanje]] toplote ali radiacija
 
Za toplotni tok, ki je posledica krajevno in časovno spremenljivega temperaturnega polja, veljajo zakoni termodinamike.
Kombinacija dveh ali treh prenosov se imenuje [[prehod toplote]].
 
Prenešeno toplotno energijo lahko merimo le posredno z merjenjem temperature.
V ožjem smislu se izraz »prevajanja toplote« uporablja za prvega od naštetih procesov, torej za prenos toplote po [[mirovanje|mirujoči]] [[snov]]i, drugače pa v širšem smislu tudi izraz prevajanje toplote.
 
Na splošno ločimo tri osnovne, fizikalno različne mehanizme, čeprav v praksi le-ti pogosto nastopajo istočasno:
== Prevajanje toplote (kondukcija) ==
 
* prevajanje toplote ali kondukcija v [[trdnina]]h mirujočih [[tekočina]]h
V ožjem smislu uporabljamo izraz »prevajanja toplote« za prenos toplote, pri katerem [[toplotni prevodnik]] med [[toplotni rezervoar|toplotnim rezervoarjem]] pri višji temperaturi in toplotnim rezervoarjem pri nižji temperaturi miruje, kar je izpolnjeno za trdnine in mirujoče tekočine. Za takšno prevajanje toplote velja [[zakon o prevajanju toplote]] (v tuji literaturi tudi ''Fourierov zakon''):
* prestop toplote ali [[konvekcija|konvekcijo]] v tekočinah
* [[sevanje]] toplote ali radiacija
 
Poljudno se za opisovanje '''prenosa toplote''' marsikdaj uporabi pojme ''prevod toplote, prestop toplote, izgubljanje toplote, pridobivanje toplote ter prehod toplote.''
: <math> \vec\mathbf{j} = -\lambda \nabla T \!\, . </math>
 
V strokovni literaturi se izraz prehod toplote uporablja pri nastopu vseh treh mehanizmov hkrati (zaporedno).
Pri tem je <math>\vec\mathbf{j}</math> [[gostota toplotnega toka]], λ [[toplotna prevodnost]] in ∇ ''T'' [[gradient]] temperature. Negativni predznak označuje, da ima [[toplotni tok]] smer negativnega gradienta temperature.
 
== Prevajanje toplote (kondukcija) ==
Pri prevajanju toplote skozi plast lahko zakon o prevajanju toplote v smeri pravokotno na plast zapišemo v enostavnejši obliki:
 
Empirični zakon prevoda toplote temelji na eksperimentalnem delu Biot-a, vendar je v glavnem poznan kot Fourierov zakon, ki pravi, da je toplotni tok v dani smeri sorazmeren površini, ki je pravokotna na smer toplotnega toka in temperaturnemu gradientuv tej smeri. V smeri osi x lahko zapišemo toplotni tok:<ref name=":0">{{Navedi knjigo|title=Prenos Toplote|last=Alujevič; Škerget|first=|publisher=Tehniška fakulteta Maribor|year=1990|isbn=|location=|page=|cobiss=}}</ref>
: <math> j = -\lambda \frac{\mathrm{d} T}{\mathrm{d} x} \!\, . </math>
 
: <math> j Q_x= -\lambda A_x \frac{\mathrm{d}partial T}{\mathrm{d}partial x} \!\, . </math>
Prevajanje toplote spada skupaj z [[difuzija|difuzijo]] in prevajanjem [[električni tok|električnega toka]] med [[transportni pojav|transportne pojave]].
 
Gostota toplotnega toka pa je:
== Prestop toplote (konvekcija) ==
 
<math>q_x=\frac{Q_x}{A_x}=-\lambda \frac{\partial T}{\partial x}</math>
[[Prestop toplote]] ali [[konvekcija]] je kombinacija prevajanja toplote (kondukcije) in prenosa toplote s kroženjem segretega sredstva. Prestop toplote torej združuje prevajanje toplote s fizičnim premikom vročih delcev na hladnejša mesta. Zato do prestopa toplote prihaja pri prevajanju toplote v tekočinah, saj so v trdninah molekule snovi lokalizirane in ne zmorejo kolektivnega gibanja, potrebnega za prestop toplote.
 
Proporcionalnostni faktor λ je toplotna prevodnost snovi (snovna lastnost). Največjo prevodnost imajo v splošnem čiste kovine, pri plinih in parah pa je najmanjša:
Ločimo [[naravna konvekcija|naravno]] in [[vsiljena konvekcija|vsiljeno konvekcijo]].
{| class="wikitable"
|+Toplotne prevodnosti snovi
!kovine
!50 ... 400 W/mK
|-
|zlitine
|10 ... 120 W/mK
|-
|kapljevine
|0.1 ... 0.7 W/mK
|-
|izolacijske snovi
|0.03 ... 0.1 W/mK
|-
|plini
|0.007 ... 0.1 W/mK
|}
 
== Prestop toplote (konvekcija) ==
Pri ''naravni konvekciji'' tekočina prejme toploto od toplotnega rezervoarja, zaradi česar se zmanjša njena [[gostota]], in tekočina se začne dvigati. To vzbudi gibanje okolišnje hladnejše tekočine z večjo gostoto, ki priteče na izpraznjeni prostor. Tam se hladnejša tekočina ogreje in proces se ponavlja. Izmenjavi tekočine rečemo konvekcijski tok. Glavna dejavnika, ki vplivata na naravno konvekcijo, sta [[vzgon]] in [[težnost]].
Prenos toplote med fluidom in trdno površino je pogojen z gibanjem fluida relativno glede na površino.
 
Če to gibanje nastane zaradi črpalke, ventilatorja, ipd., imamo opravka s prisilno konvekcijo. V nasprotnem primeru pa govorimo o naravni konvekciji, kjer je vzrok gibanja razlika gostot fluida, kar je posledica temperaturnih razlik med površino in fluidom.
Pri ''prisiljeni konvekciji'' pa, po drugi strani, gibanje tekočine ustvarja delovanje črpalke, ventilatorja ipd., s čimer se ustvari umetni konvekcijski tok. V številnih sistemih za prenos toplote tako naravna kot prisiljena konvekcija znatno prispevata k hitrosti prenosa toplote, njuna vpliva pa se seštevata.
 
Toplotni tok med trdno površino temperature <math>T_s</math>in okoliškim fluidom povprečne temperature <math>T_f</math>je podan z Newtonovim zakonom prestopa toplote:
Za ovrednotenje konvekcije inženirji vpeljejo [[toplotna prestopnost|toplotno prestopnost]], ''konvekcijski koeficient'' ali ''koeficient prehajanja toplote pri konvekciji'' (oznaka α, ''h'' ali Λ<sub>k</sub>). Za razliko od [[toplotna prevodnost|toplotne prevodnosti]] ta ni lastnost snovi, ampak je odvisen tudi od geometrije, temperature, hitrosti in drugih lastnosti sistema, v katerem pride do prestop toplote. Zato mora biti toplotna prestopnost izpeljana ali izmerjena za vsak sistem posebej.
 
<math>q=\alpha(T_s-T_f)</math>
=== Glej tudi ===
 
α pomeni toplotno prestopnost (na enoto površine). Toplotna prestopnost je analitično določljiva le za zelo enostavne primere toka (npr. laminaren tok okrog teles enostavnih oblike). V splošnem pa jo določimo iz eksperimentalno dobljenih obrazcev.
* [[Nusseltovo število]], [[Prandtlovo število]]
 
Toplotna prestopnost ni snovna lastnost, saj je odvisna ne le od oblike in vrste snovi, temveč tudi od temperature, hitrosti fluida, itd.<ref name=":0" />
{| class="wikitable"
|+Toplotna prestopnost
(naravna konvekcija)
|zrak (ΔT=25°C)
|5...10 W/m^2K
|-
|olje (ΔT=25°C)
|30...60 W/m^2K
|-
|voda (ΔT=25°C)
|400...600 W/m^2K
|}
{| class="wikitable"
|+Toplotna prestopnost
(prisilna konvekcija)
|zrak (v=10m/s)
|20...40 W/m^2K
|-
|olje (v=5m/s)
|1800 W/m^2K
|-
|voda (m'=1 kg/s)
|10500 W/m^2K
|}
 
== Sevanje ==
 
Vse snovi oddajajo toploto v obliki toplotnega sevanja (elektromagnetno valovanje), ki pride do izraza pri višjih temperaturah. Telesa sevano toploto tudi vsrkavajo, odbijajo in prepuščajo.
Pri [[sevanje|sevanju]] ali radiaciji se [[toplotno sevanje|toplota prevaja]] z izsevano in absorbirano energijo [[foton]]ov oz. [[elektromagnetno valovanje|elektromagnetnega valovanja]].
 
Največji sevalni toplotni tok, ki ga telo s temperaturo T oddaja v prostor, je podan s Stefan - Boltzmannovim zakonom.
 
<math>E_0=\sigma T^4</math>
Predmeti pri sobni temperaturi (približno 300 [[kelvin|K]]) izsevajo večino fotonov v [[infrardeče sevanje|infrardečem]] delu [[spekter elektromagnetnega valovanja|spektra]] elektromagnetnega valovanja. [[gostota energijskega toka|Gostoto energijskega toka]] ''j'' pri [[sevanje črnega telesa|sevanju črnega telesa]] opisuje [[Stefan-Boltzmannov zakon]]:
 
kjer je <math>E_0</math>gostota izsevanega toka črnega telesa, '''T''' absolutna temperatura in
: <math> j^{\star} = \epsilon \!\, \sigma T^{4} \!\, . </math>
 
<math>\sigma=5.6697 \times 10^{-8} W/m^2K^4</math>
Pri tem je σ [[Stefanova konstanta]], ''T'' [[absolutna temperatura]].
 
== Viri ==
<references />
[[Kategorija:Termodinamika]]
[[Kategorija:Transportni pojavi]]