Prenos toplote

Prenos toplôte je spontan prenos toplotne energije z mesta z višjo temperaturo na mesto z nižjo temperaturo.

Za toplotni tok, ki je posledica krajevno in časovno spremenljivega temperaturnega polja, veljajo zakoni termodinamike.

Prenešeno toplotno energijo se lahko meri le posredno z merjenjem temperature.

Na splošno se loči (vsaj) tri osnovne, fizikalno različne mehanizme, čeprav ti v praksi pogosto nastopajo istočasno:

  • prevajanje toplote ali kondukcija
  • prestop toplote ali konvekcija
  • sevanje toplote ali radiacija

Poljudno se za opisovanje prenosa toplote marsikdaj uporabi pojme prevod toplote, prestop toplote, izgubljanje toplote, pridobivanje toplote ter prehod toplote.

V strokovni literaturi se izraz prehod toplote uporablja pri nastopu vsaj dveh mehanizmov hkrati.[1]

Prevajanje toplote (kondukcija)Uredi

Empirični zakon prevoda toplote temelji na Biotovem eksperimentalnem delu, vendar je v glavnem poznan kot zakon o prevajanju toplote (Fourierov zakon), ki pravi, da je toplotni tok v dani smeri sorazmeren površini, ki je pravokotna na smer toplotnega toka in temperaturnemu gradientu v tej smeri. V smeri osi x se lahko zapiše toplotni tok:[1]

 

Gostota toplotnega toka pa je:

 

Proporcionalnostni faktor λ je toplotna prevodnost snovi (snovna značilnost). Največjo prevodnost imajo v splošnem čiste kovine, pri plinih in parah pa je najmanjša:

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)Uredi

Prenos toplote med tekočino in trdno površino je pogojen z gibanjem tekočine relativno glede na površino.

Če to gibanje nastane zaradi črpalke, ventilatorja, ipd., je govor o prisilni konvekciji. V nasprotnem primeru pa je govora o naravni konvekciji, kjer je vzrok gibanja razlika gostot tekočine, kar je posledica temperaturnih razlik med površino in tekočino.

Toplotni tok med trdno površino temperature  in okoliško tekočino povprečne temperature  je podan z Newtonovim zakonom prestopa toplote:

 

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 se jo določi iz eksperimentalno dobljenih obrazcev.

Toplotna prestopnost ni snovna značilnost, saj je odvisna ne le od oblike in vrste snovi, temveč tudi od temperature, hitrosti tekočine, itd.[1]

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
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 toplote (radiacija)Uredi

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.

Največji sevalni toplotni tok, ki ga telo s temperaturo T oddaja v prostor, je podan s Stefan-Boltzmannovim zakonom.

 

kjer je  gostota izsevanega toka črnega telesa, T absolutna temperatura in   Stefanova konstanta. Gostota sevalnega toplotnega toka E je vedno manjša od gostote sevalnega toplotnega toka črnega telesa:

 

kjer je emisivnost ε vedno manjša od 1.

Pri enostavnem zgledu dveh enako velikih vzporednih površin, za kateri velja toplotni tok s sevanjem:

 
 

kjer je sevalna toplotna prestopnost:

 

Če je razlika temperatur  in  dovolj majhna v primerjavi s  , se lahko zgornjo enačbo linearizira z aproksimacijo:

 

sevalna prestopnost toplote pa je tedaj:

 

SkliciUredi

  1. 1,0 1,1 1,2 Alujevič; Škerget (1990). Prenos Toplote. Tehniška fakulteta v Mariboru.