Prenos toplote

Iz Wikipedije, proste enciklopedije
Jump to navigation Jump to search

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 lahko merimo le posredno z merjenjem temperature.

Na splošno ločimo (vsaj) tri osnovne, fizikalno različne mehanizme, čeprav v praksi le-ti 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 | uredi kodo]

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 gradientu v tej smeri. V smeri osi x lahko zapišemo toplotni tok:[1]

Gostota toplotnega toka pa je:

Proporcionalnostni faktor λ je toplotna prevodnost snovi (snovna lastnost). 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 | uredi kodo]

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.

Toplotni tok med trdno površino temperature in okoliškim fluidom 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 jo določimo iz eksperimentalno dobljenih obrazcev.

Toplotna prestopnost ni snovna lastnost, saj je odvisna ne le od oblike in vrste snovi, temveč tudi od temperature, hitrosti fluida, 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 | uredi kodo]

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 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 , lahko zgornjo enačbo lineariziramo z aproksimacijo:

sevalna prestopnost toplote pa je tedaj:

Viri[uredi | uredi kodo]

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