거기 열전달 에너지 인해 둘 사이의 온도 차이에 일체에서 다른 간다. 열전달 과정은 접촉하는 물체의 온도가 같거나 접촉이 제거되는 즉시 중단됩니다.
주어진 시간 동안 한 몸에서 다른 몸으로 전달되는 에너지의 양을 전달 된 열이라고합니다. 한 몸은 다른 몸에 열을 주거나 흡수 할 수 있지만 열은 항상 가장 높은 온도의 몸에서 최저 온도의 몸으로 이동합니다.
그림 1. 모닥불에는 전도, 대류 및 복사의 세 가지 열 전달 메커니즘이 있습니다. 출처 : Pixabay.
열의 단위는 에너지의 단위와 동일하며 국제 측정 시스템 (SI)에서는 줄 (J)입니다. 다른 자주 사용되는 열 단위는 칼로리와 BTU입니다.
열 전달을 제어하는 수학적 법칙은 교환과 관련된 메커니즘에 따라 다릅니다.
열이 한 몸체에서 다른 몸체로 전도 될 때 열이 교환되는 속도는 온도 차이에 비례합니다. 이것은 푸리에의 열전도 법칙으로 알려져 있으며, 이는 뉴턴의 냉각 법칙으로 이어집니다.
열 전달의 형태 / 메커니즘
두 물체간에 열을 교환 할 수있는 방법입니다. 세 가지 메커니즘이 인식됩니다.
-운전
-전달
-방사능
위 그림에 표시된 것과 같은 냄비에는 다음 세 가지 열 전달 메커니즘이 있습니다.
-냄비의 금속은 주로 전도에 의해 가열됩니다.
-물과 공기는 대류에 의해 가열되고 상승합니다.
-냄비 근처의 사람들은 방출되는 방사선에 의해 가열됩니다.
운전
열전도는 주로 고체, 특히 금속에서 발생합니다.
예를 들어, 부엌의 스토브는 바닥의 금속과 용기의 금속 벽을 통해 전도 메커니즘을 통해 냄비 내부의 음식에 열을 전달합니다. 열전도에서는 물질 수송이없고 에너지 만 있습니다.
전달
대류 메커니즘은 일반적으로 액체와 기체입니다. 이들은 더 높은 온도에서 거의 항상 밀도가 낮습니다. 이러한 이유로 더 뜨거운 유체 부분에서 더 차가운 유체 부분이있는 더 높은 영역으로 열이 위쪽으로 이동합니다. 대류 메커니즘에는 물질 수송이 있습니다.
방사능
그 부분의 경우, 복사 메커니즘은 두 몸체가 접촉하지 않을 때에도 열 교환을 허용합니다. 즉각적인 예는 그들 사이의 빈 공간을 통해 지구를 가열하는 태양입니다.
모든 신체는 전자기 방사선을 방출하고 흡수합니다. 진공 상태라도 온도가 다른 두 개의 본체가 있으면 잠시 후 전자기 복사에 의한 열 교환으로 인해 동일한 온도에 도달합니다.
열전달율
평형 열역학 시스템에서 환경과 교환되는 총 열의 양이 중요하므로 시스템이 한 평형 상태에서 다른 상태로 전달됩니다.
반면에 열 전달에서는 시스템이 아직 열 평형에 도달하지 않은 일시적인 현상에 관심이 집중됩니다. 열의 양은 일정 기간 동안 교환됩니다. 즉, 열 전달 속도가 있습니다.
예
-열전도의 예
열전도율에서 열 에너지는 고체, 액체 또는 기체 여부에 관계없이 물질의 원자와 분자 간의 충돌을 통해 전달됩니다.
고체는 기체와 액체보다 열 전도체가 더 좋습니다. 금속에는 금속을 통해 이동할 수있는 자유 전자가 있습니다.
자유 전자는 이동성이 뛰어나 충돌을 통해 운동 에너지를보다 효율적으로 전달할 수 있기 때문에 금속의 열전도율이 높습니다.
거시적 관점에서 열전도율은 단위 시간당 전달되는 열량 또는 열량 H로 측정됩니다.
그림 2. 막대를 통한 열 전도. Fanny Zapata 작성.
열량 H는 면적 A의 단면적과 종 방향 거리 단위당 온도 변화에 비례합니다.
이 방정식은 그림 2와 같은 막대의 칼로리 전류 H를 계산하는 데 적용되며, 이는 각각 온도 T 1 및 T 2 두 저장소 사이에 있으며 , 여기서 T 1 > T 2 입니다.
재료의 열전도율
아래는 켈빈 당 미터당 와트로 표시되는 일부 재료의 열전도도 목록입니다. W / (m. K)
알루미늄 -------- 205
구리 --------- 385
실버 ---------- 400
강철 ---------– 50
코르크 또는 유리 섬유-0.04
콘크리트 또는 유리 ----- 0.8
목재 ----- 0.05 ~ 0.015
공기 --------– 0.024
-대류 열의 예
열 대류에서 에너지는 서로 다른 온도에서 밀도가 다른 유체의 이동으로 인해 전달됩니다. 예를 들어, 냄비에 물을 끓이면 바닥 근처의 물이 온도를 높여 팽창합니다.
이 팽창은 뜨거운 물을 상승시키고 차가운 물은 상승한 뜨거운 물이 남긴 공간을 차지하기 위해 내려갑니다. 그 결과 모든 수준의 온도가 균등해질 때까지 순환 운동이 계속됩니다.
대류는 지구 대기에서 큰 기단의 움직임을 결정하고 해류의 순환을 결정합니다.
-복사열의 예
전도 및 대류에 의한 열 전달 메커니즘에서 열을 전달하려면 재료의 존재가 필요합니다. 반대로, 복사 메커니즘에서 열은 진공을 통해 한 몸에서 다른 몸으로 이동할 수 있습니다.
이것은 지구보다 높은 온도에서 태양이 공간의 진공을 통해 직접 우리 행성에 에너지를 전달하는 메커니즘입니다. 방사선은 전자기파를 통해 우리에게옵니다.
모든 재료는 전자기 복사를 방출하고 흡수 할 수 있습니다. 방출되거나 흡수되는 최대 주파수는 재료의 온도에 따라 달라지며이 주파수는 온도에 따라 증가합니다.
흑체의 방출 또는 흡수 스펙트럼에서 우세한 파장은 Wien의 법칙을 따르며, 우세한 파장은 체온의 역에 비례합니다.
반면에 신체가 전자기 복사에 의해 열 에너지를 방출하거나 흡수하는 데 사용되는 전력 (와트)은 절대 온도의 4 제곱에 비례합니다. 이것은 스테판의 법칙으로 알려져 있습니다.
P = εAσT 4
위의 식에서 σ는 Stefan의 상수이고 그 값은 5.67 x 10-8 W / m 2 K 4 입니다. A는 몸체의 표면적이고 ε은 물질의 방사율이며 값이 0과 1 사이이며 물질에 따라 달라지는 무 차원 상수입니다.
운동이 해결됨
그림 2의 막대를 고려하십시오. 막대의 길이가 5cm, 반경이 1cm이고 구리로 만들어 졌다고 가정합니다.
막대는 온도를 일정하게 유지하는 두 벽 사이에 배치됩니다. 첫 번째 벽의 온도는 T1 = 100ºC이고 다른 벽은 T2 = 20ºC입니다. 결정:
a.-열 전류 H의 값
b.-온도 T1의 벽에서 2cm, 3cm 및 4cm에서 구리 막대의 온도.
솔루션
구리 막대는 벽이 항상 같은 온도를 유지하는 두 벽 사이에 배치되어있어 안정된 상태라고 할 수 있습니다. 즉, 열 전류 H는 어떤 순간에도 동일한 값을 갖습니다.
이 전류를 계산하기 위해 현재 H와 온도 차이 및 막대 길이를 연결하는 공식을 적용합니다.
단면적은 다음과 같습니다.
A = πR 2 = 3.14 * (1 × 10 -2 m) 2 = 3.14 × 10 -4 m 2
막대 끝 사이의 온도 차이는
ΔT = (100ºC-20ºC) = (373K-293K) = 80K
ΔX = 5cm = 5 × 10 -2 m
H = 385 W / (m에서 K) * 3.14 × 10 -4 m 2 * (80K / 5 × 10 -2 m)는 W = 193.4
이 전류는 정상 상태에 도달했기 때문에 바의 어느 지점에서나 어느 순간에도 동일합니다.
솔루션 b
이 부분에서 우리는 벽 T 1 에서 거리 Xp에 위치한 지점 P에서 온도 Tp를 계산하도록 요청 받았습니다 .
포인트 P에서 열량 H를 제공하는 식은 다음과 같습니다.
이 식에서 Tp는 다음과 같이 계산할 수 있습니다.
각각 2cm, 3cm 및 4cm 위치에서 온도 Tp를 계산하여 숫자 값을 대체합니다.
- Tp = 340.6K = 67.6 ° C; T1에서 2cm
- Tp = 324.4K = 51.4 ° C; T1에서 3cm
- Tp = 308.2K = 35.2 ° C; T1에서 4cm
참고 문헌
- Figueroa, D. 2005. 시리즈 : 과학 및 공학을위한 물리학. Volume 5. 유체 및 열역학. Douglas Figueroa (USB) 편집.
- Kirkpatrick, L. 2007. Physics : A Look at the World. 6 차 요약 판. Cengage 학습.
- Lay, J. 2004. 엔지니어를위한 일반 물리학. USACH.
- Mott, R. 2006. 유체 역학. 4 일. 판. 피어슨 교육.
- Strangeways, I. 2003. 자연 환경 측정. 2 위. 판. 캠브리지 대학 출판부.
- Wikipedia. 열 전도성. 출처 : es.wikipedia.com