Home » Articole » RO » Știință » Fizica » Termodinamica » Căldura » Transferul termic

Transferul termic

postat în: Căldura 0
Convecția termică în mantaua Pământului
Sursa https://en.wikipedia.org/wiki/File:Convection-snapshot.png 

(Simularea convecției termice în mantaua Pământului. Culorile variază de la roșu și verde la albastru cu temperaturi descrescătoare. Un strat de limită inferior fierbinte și mai puțin dens trimite granule de material fierbinte în sus, iar materialul rece din partea de sus se deplasează în jos.)

Transferul termic este o disciplină a ingineriei termice care se referă la generarea, utilizarea, conversia și schimbul de energie termică (căldură) între sistemele fizice. Transferul termic este clasificat în diferite mecanisme, cum ar fi conducția termică, convecția termică, radiația termică și transferul de energie prin schimbări de fază. Inginerii consideră, de asemenea, transferul masei diferitelor specii chimice, fie reci sau calde, pentru a realiza transferul termic. În timp ce aceste mecanisme au caracteristici distincte, acestea apar adesea simultan în același sistem.

Conducția termică, denumită și difuzie, este schimbul direct microscopic al energiei cinetice a particulelor prin limita dintre două sisteme. Atunci când un obiect se află la o temperatură diferită de alt corp sau de mediul său, căldura curge astfel încât corpul și mediul ajung la aceeași temperatură, moment în care se află în echilibru termic. Un astfel de transfer termic spontan apare întotdeauna dintr-o regiune de temperatură ridicată într-o altă regiune cu temperatură mai scăzută, așa cum este descris în a doua lege a termodinamicii.

Convecția termică are loc atunci când fluxul în masă al unui fluid (gaz sau lichid) transportă căldură împreună cu fluxul de materie din fluid. Debitul fluidului poate fi forțat prin procese externe sau uneori (în câmpuri gravitaționale) prin forțe de flotabilitate cauzate atunci când energia termică extinde fluidul, influențând astfel transferul propriu. Ultimul proces este deseori numit „convecție naturală„. Toate procesele convective transferă, de asemenea, căldura parțial prin difuzie. O altă formă de convecție este convecția forțată. În acest caz, fluidul este forțat să curgă prin utilizarea unei pompe, a unui ventilator sau a altor mijloace mecanice.

Radiația termică are loc prin vid sau prin orice mediu transparent (solid sau fluid). Este transferul de energie prin intermediul fotonilor în undă electromagnetică guvernată de aceleași legi.

Prezentare generală

Intensitatea radiației termice (Intensitatea radiației termice cu lungime mare de undă a Pământului, de la nori, atmosferă și suprafață.)

Căldura este definită în fizică ca transferul energiei termice pe o limită bine definită în jurul unui sistem termodinamic. Energia liberă termodinamică este cantitatea de lucru mecanic pe care o poate efectua un sistem termodinamic. Entalpia este un potențial termodinamic, desemnat cu litera „H„, adică suma energiei interne a sistemului (U) plus produsul presiunii (P) și volumului (V). Joule este o unitate pentru cuantificarea energiei, a lucrului mecanic sau a cantității de căldură.

Transferul termic este o funcție de proces (sau o funcție de cale), spre deosebire de funcțiile de stare; prin urmare, cantitatea de căldură transferată într-un proces termodinamic care modifică starea unui sistem depinde de modul în care are loc acest proces, nu numai de diferența netă între starea inițială și cea finală a procesului.

Transferul termic termodinamic și mecanic se calculează cu coeficientul de transfer termic, proporționalitatea dintre fluxul de căldură și forța motrice termodinamică pentru fluxul de căldură. Fluxul de căldură este o reprezentare cantitativă, vectorială, a fluxului de căldură printr-o suprafață.

În inginerie, termenul căldură este considerat sinonim cu energia termică. Această utilizare are originea în interpretarea istorică a căldurii ca fluid (caloric) care poate fi transferat în diverse moduri și care este, de asemenea, obișnuit în limba laicilor și a vieții de zi cu zi.

Ecuațiile de transport pentru energia termică (legea lui Fourier), impulsul mecanic (legea lui Newton pentru fluide) și transferul de masă (legile difuiei lui Fick) sunt similare, iar analogiile dintre aceste trei procese de transport au fost dezvoltate pentru a facilita prezicerea conversiei din oricare celelalte.

Ingineria termică se referă la generarea, utilizarea, conversia și schimbul de transfer de căldură. Ca atare, transferul de căldură este implicat în aproape toate sectoarele economiei. Transferul de căldură este clasificat în diferite mecanisme, cum ar fi conducția termică, convecția termică, radiația termică și transferul de energie prin schimbări de fază.

Inginerie

Test de incendiu pentru produsele pentru stingerea incendiilor(Expunerea la căldură ca parte a unui test de incendiu pentru produsele pentru stingerea incendiilor)

Transferul termic are o largă aplicație pentru funcționarea numeroaselor dispozitive și sisteme. Principiile transferului termic pot fi folosite pentru a menține, mări sau reduce temperatura într-o mare varietate de circumstanțe. Metodele de transfer termic sunt utilizate în numeroase discipline, cum ar fi ingineria auto, gestionarea termică a dispozitivelor și sistemelor electronice, izolarea, prelucrarea materialelor și ingineria stațiilor electrice.

Izolare, radianță și rezistență

Izolatorii termici sunt materiale special proiectate pentru a reduce fluxul de căldură prin limitarea conductibilității, convecție, sau ambele. Rezistența termică este o proprietate termică și arată cât de mult un obiect sau material rezistă la fluxul de căldură (încălzirea pe unitate de timp) la diferența de temperatură.

Radianța sau radianța spectrală reprezintă mărimea cantității de radiații care trece sau este emisă. Barierele radiante sunt materiale care reflectă radiațiile și, prin urmare, reduc fluxul de căldură emis de sursele de radiații. Bunele izolatoare nu sunt în mod necesar bune bariere radiante și invers. Metalul, de exemplu, este un reflector excelent și un izolator slab.

Eficacitatea unei barieri radiante este indicată prin reflectivitatea acesteia, care este fracția radiației reflectate. Un material cu o reflexie mare (la o anumită lungime de undă) are o emisivitate scăzută (la aceeași lungime de undă) și invers. La orice lungime de undă specifică, reflectivitatea = 1 – emisivitatea. O barieră radiantă ideală ar avea o reflexie de 1 și, prin urmare, ar reflecta 100% din radiația care intră. Termosul, sau vasul Dewar, este argintat pentru a tinde spre acest ideal. În spațiu, sateliții folosesc izolație multistrat, care constă din mai multe straturi de Mylar aluminizat (lucios), pentru a reduce foarte mult radiațiile de transfer termic și pentru a controla temperatura prin satelit.

Dispozitive
Diagrama motorului termic
Sursa https://en.wikipedia.org/wiki/File:Heat_engine.png

(Fluxul schematic de energie într-un motor termic.)

Un motor termic este un sistem care efectuează conversia unui flux de energie termică (căldură) în energia mecanică pentru a efectua lucru mecanic.

Un termocuplu este un dispozitiv de măsurare a temperaturii și un tip de senzor de temperatură utilizat pe scară largă pentru măsurare și control și poate fi, de asemenea, utilizat pentru a transforma căldura în energie electrică.

Un răcitor termoelectric este un dispozitiv electronic solid care pompează (transferă) căldură dintr-o parte a dispozitivului către cealaltă atunci când trece prin curent electric. Se bazează pe efectul Peltier.

O diodă termică sau un redresor termic este un dispozitiv care permite căldurii să curgă preferențial într-o singură direcție.

Schimbătoare de căldură

Un schimbător de căldură este utilizat pentru transferul mai eficient al căldurii sau pentru disiparea căldurii. Schimbătoarele de căldură sunt utilizate pe scară largă în frigidere, aer condiționat, încălzirea spațiului, generarea de energie și prelucrarea chimică. Un exemplu obișnuit de schimbător de căldură este radiatorul unei mașini, în care lichidul de răcire fierbinte este răcit de fluxul de aer pe suprafața radiatorului.

Tipurile obișnuite de fluxuri ale schimbător de căldură includ curgerea paralelă, curgerea contra curentului și fluxul încrucișat. În curgerea paralelă, ambele fluide se deplasează în aceeași direcție în timp ce transferă căldură; în contra-curent, fluidele se deplasează în direcții opuse; și în curgere transversală, fluidele se mișcă în unghi drept unul față de celălalt. Construcțiile uzuale pentru schimbătorul de căldură includ cochilie și tub, conductă dublă, țeavă extrudată, teava spirală fină, tubul U și plăci stivuite.

Un radiator termic este o componentă care transferă căldura generată într-un material solid într-un mediu fluid, cum ar fi aerul sau lichidul. Exemple de radiatoare sunt schimbătoarele de căldură utilizate în sistemele de climatizare sau radiatorul dintr-o mașină. O conductă termică este un alt dispozitiv de transfer termic care combină conductivitatea termică și tranziția de fază pentru a transfera eficient căldura între două interfețe solide.

Lasă un răspuns

Adresa ta de email nu va fi publicată. Câmpurile obligatorii sunt marcate cu *