Prevajanje toplote

Iz Wikipedije, proste enciklopedije
Skoči na: navigacija, iskanje

Prevájanje toplôte, oziroma prehájanje toplôte je spontan prenos toplote z mesta z višjo temperaturo na mesto z nižjo temperaturo. Prevajanje preneha, ko se temperaturi mest izenačita. V širšem smislu razumemo pod prevajanjem toplote tri procese:

Kombinacija dveh ali treh prenosov se imenuje prehod toplote.

V ožjem smislu se izraz »prevajanja toplote« uporablja za prvega od naštetih procesov, torej za prenos toplote po mirujoči snovi, drugače pa v širšem smislu tudi izraz prevajanje toplote.

Prevajanje toplote (kondukcija)[uredi | uredi kodo]

V ožjem smislu uporabljamo izraz »prevajanja toplote« za prenos toplote, pri katerem toplotni prevodnik med 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):

 \vec\mathbf{j} = -\lambda \nabla T \!\, .

Pri tem je \vec\mathbf{j} gostota toplotnega toka, λ toplotna prevodnost in ∇ T gradient temperature. Negativni predznak označuje, da ima toplotni tok smer negativnega gradienta temperature.

Pri prevajanju toplote skozi plast lahko zakon o prevajanju toplote v smeri pravokotno na plast zapišemo v enostavnejši obliki:

 j = -\lambda \frac{\mathrm{d} T}{\mathrm{d} x} \!\, .

Prevajanje toplote spada skupaj z difuzijo in prevajanjem električnega toka med transportne pojave.

Prestop toplote (konvekcija)[uredi | uredi kodo]

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.

Ločimo naravno in vsiljeno konvekcijo.

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.

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.

Za ovrednotenje konvekcije inženirji vpeljejo toplotno prestopnost, konvekcijski koeficient ali koeficient prehajanja toplote pri konvekciji (oznaka α, h ali Λk). Za razliko od 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.

Glej tudi[uredi | uredi kodo]

Sevanje[uredi | uredi kodo]

Pri sevanju ali radiaciji se toplota prevaja z izsevano in absorbirano energijo fotonov oz. elektromagnetnega valovanja.

Predmeti pri sobni temperaturi (približno 300 K) izsevajo večino fotonov v infrardečem delu spektra elektromagnetnega valovanja. Gostoto energijskega toka j pri sevanju črnega telesa opisuje Stefan-Boltzmannov zakon:

 j^{\star} = \epsilon \!\, \sigma T^{4} \!\, .

Pri tem je σ Stefanova konstanta, T absolutna temperatura.