Wprowadzenie do wymiany ciepła: jak działa transfer ciepła?

Czym jest transfer ciepła i jak ciepło przenosi się z jednego ciała do drugiego

Przewodzenie przenosi ciepło przez element palnika, a konwekcja ogrzewa gotowane w garnku potrawy. Półmrok, Getty Images

Co to jest ciepło? Jak przebiega wymiana ciepła? Jaki jest wpływ na materię, gdy ciepło przechodzi z jednego ciała do drugiego? Oto, co musisz wiedzieć:

Definicja przenikania ciepła

Przenoszenie ciepła to proces, w którym energia wewnętrzna z jednej substancji przenosi się na inną substancję. Termodynamika to nauka o przenoszeniu ciepła i wynikających z niego zmianach. Zrozumienie wymiany ciepła ma kluczowe znaczenie dla analizy proces termodynamiczny , takie jak te, które mają miejsce w silnikach cieplnych i pompach ciepła.

Formy wymiany ciepła

Zgodnie z teorią kinetyczną, energia wewnętrzna substancji jest generowany z ruchu pojedynczych atomów lub cząsteczek. Energia cieplna jest formą energii, która przenosi tę energię z jednego ciała lub systemu do drugiego. Ta wymiana ciepła może odbywać się na kilka sposobów:

• Przewodzenie jest wtedy, gdy ciepło przepływa przez ogrzane ciało stałe przez a prąd cieplny poruszanie się po materiale. Przewodzenie można zaobserwować podczas podgrzewania elementu palnika pieca lub pręta metalowego, który przechodzi od rozżarzonego czerwono do rozgrzanego do białości.
• Konwekcja ma miejsce, gdy podgrzane cząstki przenoszą ciepło na inną substancję, na przykład gotując coś we wrzącej wodzie.
• Promieniowanie Dzieje się tak, gdy ciepło jest przenoszone przez fale elektromagnetyczne, na przykład ze słońca. Promieniowanie może przenosić ciepło przez pustą przestrzeń, podczas gdy pozostałe dwie metody wymagają jakiejś formy kontaktu materii z materią w celu przeniesienia.

Aby dwie substancje oddziaływały na siebie, muszą być kontakt termiczny ze sobą. Jeśli zostawisz włączony piekarnik otwarty i staniesz kilka stóp przed nim, będziesz w kontakcie termicznym z piekarnikiem i poczujesz ciepło, które Ci przekazuje (przez konwekcję przez powietrze).

Normalnie, oczywiście, nie czujesz ciepła z piekarnika, gdy jesteś kilka stóp dalej, a to dlatego, że piekarnik ma izolacja cieplna aby utrzymać ciepło wewnątrz piekarnika, zapobiegając w ten sposób kontaktowi termicznemu z zewnętrzną częścią piekarnika. To oczywiście nie jest idealne, więc jeśli staniesz w pobliżu, poczujesz trochę ciepła z piekarnika.

Równowaga termiczna ma miejsce, gdy dwa elementy, które są w kontakcie termicznym, nie przenoszą już ciepła między sobą.

Skutki wymiany ciepła

Podstawowym efektem przenoszenia ciepła jest to, że cząstki jednej substancji zderzają się z cząstkami innej substancji. Bardziej energetyczna substancja zazwyczaj traci energię wewnętrzną (tj. „schładza się”), podczas gdy mniej energetyczna substancja zyska energię wewnętrzną (tj. „podgrzewa się”).

Najbardziej rażącym skutkiem tego w naszym codziennym życiu jest przejście fazowe, w którym substancja zmienia się z jednej stan rzeczy do innego, taki jak topnienie lodu od ciała stałego do cieczy, ponieważ pochłania ciepło. Woda zawiera więcej energii wewnętrznej (tj. cząsteczki wody poruszają się szybciej) niż w lodzie.

Ponadto wiele substancji przechodzi albo rozszerzalność termiczna lub skurcz termiczny gdy zyskują i tracą energię wewnętrzną. Woda (i inne płyny) często rozszerza się, gdy zamarza, co odkrył każdy, kto zbyt długo wkładał napój z nakrętką do zamrażarki.

Pojemność cieplna

The pojemność cieplna obiektu pomaga określić, w jaki sposób temperatura obiektu reaguje na pochłanianie lub przekazywanie ciepła. Pojemność cieplna definiuje się jako zmianę ciepła podzieloną przez zmianę temperatury.

Prawa termodynamiki

Przenoszenie ciepła opiera się na kilku podstawowych zasadach, które stały się znane jako prawa termodynamiki , które określają, w jaki sposób wymiana ciepła odnosi się do pracy wykonywanej przez system, i nakładają pewne ograniczenia na to, co system może osiągnąć.

Edytowany przezdr Anne Marie Helmenstine