Kun lämpöenergiaa siirtyy systeemistä toiseen lämmön leviämisen kautta, ilmiötä kutsutaan lämmönsiirroksi.
Tämä voidaan tehdä kolmella tavalla - johtuminen, konvektio ja säteily.
Johtavuus vs konvektio vs säteily
The Ero johtuvuuden, konvektion ja säteilyn välillä on tapa, jolla lämpö siirtyy suuremman kineettisen energian vyöhykkeestä pienemmän liike-energian vyöhykkeelle. Johtamisessa tämä tapahtuu kahden esineen välisen suoran fyysisen kosketuksen kautta. Konvektio sitä vastoin tapahtuu, kun lämpö siirtyy molekyylien liikkeen kautta. Säteily ei vaadi fyysistä kosketusta kahden kohteen välillä kuten muut menetelmät.
Johdon, konvektion ja säteilyn vertailutaulukko (taulukkomuodossa)
| Vertailuparametri | Johtuminen | Konvektio | Säteily |
|---|---|---|---|
| Määritelmä | Lämmönsiirtoprosessi esineiden välillä suoran fyysisen kosketuksen kautta. | Lämmönsiirtoprosessi nesteen, kuten nesteiden tai kaasun, läpi. | Lämmönsiirtoprosessi sähkömagneettisten aaltojen kautta. |
| Menetelmä | Lämpö siirtyy molekyylien törmäyksen seurauksena, kun kiinteät aineet joutuvat kosketuksiin toistensa kanssa. | Lämpö siirtyy nesteiden virtauksen avulla. | Lämpö siirtyy kappaleiden lähettämän säteilyn kautta ilman väliainetta. |
| Syy | Lämpö kulkee korkean lämpötilan alueelta matalan lämpötilan alueelle. | Lämpö kulkee matalatiheydeltä alueelta korkean tiheyden alueelle. | Energia, jota kehot säteilevät atomien ja molekyylien pyörimis- ja värähtelyliikkeiden kautta. |
| Keskikokoinen | Kuumennetut kiinteät aineet. | Väliin tulevat aineet, kuten nesteet. | Elektromagneettiset aallot. |
Mikä on konduktio?
Lämmönsiirtoprosessia suoran kosketuksen kautta kahden esineen välillä kutsutaan johtumiseksi.
Kun yhden kohteen molekyylit imevät lämpöenergiaa, ne alkavat liikkua nopeasti ja samalla joutuvat kosketuksiin viereisten esineiden kanssa ja energiansiirto tapahtuu.
Jotta johtuminen tapahtuisi, jotkut tekijät on pidettävä mielessä.
Ensimmäinen on lämpötilagradientti, joka on kuvaus suunnasta, johon lämpö virtaa, ja siirtonopeudesta. Johtumisprosessi kuumasta lähteestä kylmään lähteeseen (tai lähteeseen, josta puuttuu lämpöenergia) jatkuu, kunnes molemmat kappaleet saavuttavat lämpötasapainotilan.
Toinen tärkeä tekijä on mukana olevien esineiden koko. Suuremmat esineet vaativat enemmän lämpöä lämmittääkseen, mutta samalla ne menettävät lämpöä nopeammin. Tämä johtuu siitä, että mitä suurempi niiden pinta-ala on, sitä enemmän ne joutuvat kosketuksiin ulkoilman kanssa. Myös esineiden fyysiset ominaisuudet on otettava huomioon.
Jos käytät puulusikkaa ruoanlaitossa, huomaat, että lusikka ei kuumene. Tämä johtuu siitä, että puu on huono johdin.
Kuitenkin, jos käytät metallilusikkaa, lämpö siirtyy siihen hyvin nopeasti, koska metalli on hyvä johdin. Huonoja johtimia kutsutaan myös eristeiksi. Ne estävät energiaa virtaamasta pois lähteestä.
Esimerkiksi jääkarhut pystyvät selviytymään arktisilla alueilla, koska niiden turkki toimii eristeenä, joka vangitsee lämmön kehon sisään.
Mikä on konvektio?
Kun tapahtuu nesteen massaliikettä, joka johtuu kuumennetun nesteen siirtymisestä pois lähdelämmöstä, se kuljettaa energiaa mukanaan. Tämä on myös eräs lämmönsiirron muoto ja sitä kutsutaan konvektioksi.
Tämä prosessi tapahtuu, koska lämpö vähentää nesteiden, kuten ilman ja veden, tiheyttä. Tiheyden menetys saa nesteen kohoamaan, jolloin syntyy konvektiovirtoja, jotka voivat siirtää energiaa.
Kun nesteen lämmitetyt kerrokset nousevat, kylmemmät kerrokset, jotka säilyttävät edelleen tiheytensä, laskeutuvat kohti lämmönlähdettä, kunnes ne kuumenevat ja alkavat nousta.
Konvektiota on kahta tyyppiä – spontaania ja pakotettua. Edellisessä konvektio tapahtuu luonnollisesti kelluvuuden vuoksi. Lämpötilan ero aiheuttaa eron tiheyksissä.
Esimerkiksi kun auringon lämpö lämmittää maata, meri imee suurimman osan energiasta, mutta sen lämpeneminen vie enemmän aikaa kuin maa.
Siksi maan yläpuolella oleva ilma menettää tiheyttä nopeammin, mikä johtaa matalapaineisen alueen syntymiseen rannikkoalueiden päälle. Mutta meren yllä olevalla alueella on korkeampi paine ja tämä saa ilman siirtymään korkeamman paineen alueelta matalamman paineen alueelle, eli mereltä maahan.
Tästä syystä tuuli meren lähellä on yleensä voimakkaampi. Pakotettu konvektio aiheutuu ulkoisesta lähteestä, kuten tuulettimesta tai geysiristä. Se liittyy Newtonin jäähdytyslakiin, jonka yhtälö on seuraava:
P = dQ/dt = hA(T-T0)
Tässä P = dQ/dt on lämmönsiirtonopeus. H on konvektion lämmönsiirtokerroin. A on paljastetun materiaalin pinta-ala.
T viittaa nesteessä olevan kohteen lämpötilaan ja T0 tarkoittaa konvektioprosessin läpikäyvän nesteen lämpötilaa.
Mikä on säteily?
Toisin kuin johtuminen ja konvektio, jotka molemmat edellyttävät todellista fyysistä kosketusta kahden kappaleen välillä, säteily on lämmönsiirtoa, joka tapahtuu silloinkin, kun kappaleet eivät joutuisi kosketuksiin tai ovat erillään avaruudessa.
Kaikki maailmankaikkeudessa koostuu atomeista, jotka yhdessä muodostavat molekyylejä. Atomien ja molekyylien pyöriminen ja värähtely varmistavat, että kaikki aineet jatkavat energian lähettämistä sähkömagneettisen säteilyn kautta.
Elektronit, joilla on korkea energia korkealla atomitasolla, laskeutuvat tasoille, joilla energia on alhaisempi. Kaikki energia, joka katoaa matkan varrella, säteilee sähkömagneettisena säteilynä.
Kun atomi absorboi energiaa, sen elektronit nousevat korkeammalle energiatasolle. Siksi kun energian absorboitumisnopeus tasapainotetaan sen nopeuden kanssa, jolla se vapautuu, aineen lämpötila ei muutu.
Jos edellinen on suurempi kuin jälkimmäinen, lämpötila nousee ja jos se on alhaisempi, lämpötila myös laskee.
Yleinen esimerkki lämmönsiirrosta säteilyn kautta on aurinko. Se ei ole kosketuksissa minkään muun planeetan kanssa, eikä siinä ole fyysistä väliainetta lämmönsiirtoon.
Silti voimme tuntea sen lämmön sen lähettämän sähkömagneettisen säteilyn ansiosta, jonka ansiosta sen säteet pääsevät maan päälle.
Tärkeimmät erot johtumisen, konvektion ja säteilyn välillä
Johtopäätös
Johtavuus, konvektio ja säteily ovat tärkeitä käsitteitä termodynamiikan tutkimuksessa.
Yksinkertaisesti sanottuna kuumasta esineestä tai kuumalta alueelta alueen kylmään esineeseen kulkeva lämpö on johtumista.
Lämpö siirtyy nestevirtojen liikkeen kautta konvektiota ja sähkömagneettisten aaltojen kautta ilman väliainetta siirretty lämpö on säteilyä.
- https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/0142727X94000144
- https://asmedigitalcollection.asme.org/heattransfer/article-abstract/85/4/318/414710
