WARMTEOVERDRACHT: WETTEN, VORMEN VAN OVERDRACHT, VOORBEELDEN - FYSIEK - 2026

Er is warmteoverdracht wanneer energie van het ene lichaam naar het andere gaat vanwege het temperatuurverschil tussen de twee. Het warmteoverdrachtproces stopt zodra de temperaturen van de lichamen die in contact zijn gelijk zijn of wanneer het contact daartussen wordt verwijderd.

De hoeveelheid energie die in een bepaalde tijd van het ene lichaam naar het andere wordt overgedragen, wordt overgedragen warmte genoemd. Het ene lichaam kan warmte aan het andere afgeven, of het kan het opnemen, maar de warmte gaat altijd van het lichaam met de hoogste temperatuur naar het lichaam met de laagste temperatuur.

Figuur 1. Bij een vreugdevuur zijn er de drie mechanismen van warmteoverdracht: geleiding, convectie en straling. Bron: Pixabay.

De warmte-eenheden zijn dezelfde als die van energie en in het internationale meetsysteem (SI) is dat de joule (J). Andere veelgebruikte warmte-eenheden zijn de calorieën en de BTU.

Wat betreft de wiskundige wetten die de warmteoverdracht regelen, ze zijn afhankelijk van het mechanisme dat bij de uitwisseling betrokken is.

Wanneer warmte van het ene lichaam naar het andere wordt geleid, is de snelheid waarmee warmte wordt uitgewisseld evenredig met het temperatuurverschil. Dit staat bekend als de wet van thermische geleidbaarheid van Fourier, die leidt tot de wet van afkoeling van Newton.

Vormen / mechanismen van warmteoverdracht

Het zijn de manieren waarop warmte kan worden uitgewisseld tussen twee lichamen. Drie mechanismen worden herkend:

-Het rijden

-Convectie

-Straling

In een pot zoals weergegeven in de bovenstaande afbeelding, zijn er deze drie warmteoverdrachtsmechanismen:

-Het metaal in de pot wordt voornamelijk verwarmd door geleiding.

-Het water en de lucht worden verwarmd en stijgen door convectie.

-Mensen in de buurt van de pot worden verwarmd door de uitgezonden straling.

Het rijden

Warmtegeleiding komt vooral voor in vaste stoffen en vooral in metalen.

Het fornuis in de keuken geeft bijvoorbeeld warmte door aan het voedsel in de pan via het geleidingsmechanisme door het metaal van de bodem en de metalen wanden van de container. Bij warmtegeleiding is er geen materiaaltransport, alleen energie.

Convectie

Het convectiemechanisme is typisch voor vloeistoffen en gassen. Deze zijn bijna altijd minder dicht bij hogere temperaturen, om deze reden is er een opwaarts transport van warmte van de warmere fluïdumdelen naar de hogere gebieden met koudere fluïdumdelen. In het convectiemechanisme is er materiaaltransport.

Straling

Van zijn kant maakt het stralingsmechanisme warmte-uitwisseling tussen twee lichamen mogelijk, zelfs als ze niet in contact zijn. Het directe voorbeeld is de zon, die de aarde verwarmt door de lege ruimte ertussen.

Alle lichamen zenden en absorberen elektromagnetische straling uit. Als je twee lichamen hebt met verschillende temperaturen, zelfs als je in een vacuüm zit, zullen ze na een tijdje dezelfde temperatuur bereiken door warmte-uitwisseling door elektromagnetische straling.

Warmteoverdrachtssnelheid

In thermodynamische evenwichtssystemen is de hoeveelheid totale warmte die wordt uitgewisseld met de omgeving van belang, zodat het systeem van de ene evenwichtstoestand naar de andere gaat.

Aan de andere kant is bij warmteoverdracht de interesse gericht op het voorbijgaande fenomeen, wanneer de systemen nog geen thermisch evenwicht hebben bereikt. Het is belangrijk op te merken dat de hoeveelheid warmte wordt uitgewisseld in een bepaalde tijdsperiode, dat wil zeggen dat er een snelheid van warmteoverdracht is.

Voorbeelden

- Voorbeelden van warmtegeleiding

Bij thermische geleidbaarheid wordt de warmte-energie overgedragen door botsingen tussen de atomen en moleculen van het materiaal, of dit nu vast, vloeibaar of gas is.

Vaste stoffen zijn betere warmtegeleiders dan gassen en vloeistoffen. In metalen zijn er vrije elektronen die door het metaal kunnen bewegen.

Omdat vrije elektronen een grote mobiliteit hebben, zijn ze in staat kinetische energie efficiënter door botsingen over te brengen, daarom hebben metalen een hoge thermische geleidbaarheid.

Vanuit macroscopisch oogpunt wordt thermische geleidbaarheid gemeten als de hoeveelheid warmte die per tijdseenheid wordt overgedragen, of calorische stroom H:

Figuur 2. Warmtegeleiding door een staaf. Opgesteld door Fanny Zapata.

De calorische stroom H is evenredig met de doorsnede van gebied A en de variatie in temperatuur per eenheid longitudinale afstand.

Deze vergelijking wordt toegepast om de calorische stroom H van een staaf zoals die in figuur 2 te berekenen, die zich tussen twee reservoirs met temperaturen T ₁ en T _{2 bevindt} , waarbij T ₁ > T ₂ .

Thermische geleidbaarheid van materialen

Hieronder vindt u een lijst van de thermische geleidbaarheid van sommige materialen in watt per meter per kelvin: W / (m. K)

Aluminium -------- 205

Koper --------- 385

Zilver ---------- 400

Staal ---------– 50

Kurk of glasvezel - 0,04

Beton of glas ----- 0,8

Hout ----- 0,05 tot 0,015

Lucht --------– 0,024

- Voorbeelden van convectiewarmte

Bij warmteconvectie wordt energie overgedragen als gevolg van de beweging van de vloeistof, die bij verschillende temperaturen verschillende dichtheden heeft. Wanneer water bijvoorbeeld in een pan wordt gekookt, verhoogt het water nabij de bodem zijn temperatuur, zodat het uitzet.

Deze uitzetting zorgt ervoor dat het warme water stijgt, terwijl het koude water naar beneden gaat om de ruimte in te nemen die is achtergelaten door het hete water dat is opgestegen. Het resultaat is een circulatiebeweging die doorgaat totdat de temperaturen van alle niveaus gelijk zijn.

Convectie bepaalt de beweging van grote luchtmassa's in de atmosfeer van de aarde en bepaalt ook de circulatie van zeestromingen.

- Voorbeelden van stralingswarmte

Bij de mechanismen van warmteoverdracht door geleiding en door convectie is de aanwezigheid van een materiaal vereist om de warmte over te dragen. In het stralingsmechanisme daarentegen kan warmte via een vacuüm van het ene lichaam naar het andere gaan.

Dit is het mechanisme waarmee de zon, bij een hogere temperatuur dan de aarde, energie rechtstreeks naar onze planeet stuurt via het vacuüm van de ruimte. Straling komt bij ons via elektromagnetische golven.

Alle materialen zijn in staat elektromagnetische straling uit te zenden en te absorberen. Het maximum van de uitgezonden of geabsorbeerde frequentie is afhankelijk van de temperatuur van het materiaal en deze frequentie neemt toe met de temperatuur.

De overheersende golflengte in het emissie- of absorptiespectrum van een zwart lichaam volgt de wet van Wien, die stelt dat de overheersende golflengte evenredig is met het omgekeerde van de lichaamstemperatuur.

Aan de andere kant is het vermogen (in watt) waarmee een lichaam warmte-energie uitzendt of absorbeert door elektromagnetische straling evenredig met de vierde macht van de absolute temperatuur. Dit staat bekend als de wet van Stefan:

P = εAσT ⁴

In de bovenstaande uitdrukking is σ de constante van Stefan en de waarde is 5,67 x 10-8 W / m ² K ⁴ . A is het oppervlak van het lichaam en ε is de emissiviteit van het materiaal, een dimensieloze constante waarvan de waarde tussen 0 en 1 ligt en afhankelijk is van het materiaal.

Oefening opgelost

Beschouw de staaf in figuur 2. Stel dat de staaf 5 cm lang is, 1 cm in straal en gemaakt is van koper.

De bar wordt tussen twee muren geplaatst die de temperatuur constant houden. De eerste muur heeft een temperatuur T1 = 100ºC, terwijl de andere op T2 = 20ºC ligt. Bepalen:

a.- De waarde van de thermische stroom H

b.- De temperatuur van de koperen staaf op 2 cm, op 3 cm en op 4 cm van de wand van temperatuur T1.

Oplossing voor

Omdat de koperen staaf tussen twee muren wordt geplaatst waarvan de muren te allen tijde dezelfde temperatuur behouden, kan worden gezegd dat deze zich in een stabiele toestand bevindt. Met andere woorden, de thermische stroom H heeft voor elk moment dezelfde waarde.

Om deze stroom te berekenen passen we de formule toe die de huidige H relateert aan het temperatuurverschil en de lengte van de staaf.

De dwarsdoorsnede is:

EEN = πR ² = 3,14 * (1 × ^10-2 m) ² = 3,14 x ^10-4 m ²

Het temperatuurverschil tussen de uiteinden van de staaf is

ΔT = (100ºC - 20ºC) = (373K - 293K) = 80K

Δx = 5 cm = 5 x ^10-2 m

H = 385 W / (m · K) * 3,14 x ^10-4 m ² * (80 K / 5 x ^10-2 m) = 193,4 W

Deze stroom is hetzelfde op elk punt op de balk en op elk moment, aangezien de stabiele toestand is bereikt.

Oplossing b

In dit deel wordt ons gevraagd om de temperatuur Tp te berekenen op een punt P gelegen op een afstand Xp van de muur T ₁ .

De uitdrukking die de calorische stroom H op punt P geeft, is:

Uit deze uitdrukking kan Tp worden berekend door:

Laten we de temperatuur Tp berekenen op respectievelijk de 2 cm, 3 cm en 4 cm posities, waarbij numerieke waarden worden vervangen:

• Tp = 340,6 K = 67,6 ° C; 2 cm van T1
• Tp = 324,4K = 51,4 ° C; 3 cm van T1
• Tp = 308,2K = 35,2 ° C; 4 cm vanaf T1

Referenties

1. Figueroa, D. 2005. Serie: Physics for Sciences and Engineering. Deel 5. Vloeistoffen en thermodynamica. Bewerkt door Douglas Figueroa (USB).
2. Kirkpatrick, L. 2007. Natuurkunde: een blik op de wereld. 6e verkorte editie. Cengage leren.
3. Lay, J. 2004. Algemene fysica voor ingenieurs. USACH.
4. Mott, R. 2006. Vloeistofmechanica. 4e. Editie. Pearson Education.
5. Strangeways, I. 2003. Het meten van de natuurlijke omgeving. 2e. Editie. Cambridge University Press.
6. Wikipedia. Warmtegeleiding. Hersteld van: es.wikipedia.com