エネルギーが体から体へと移動するとき、両者の温度差により熱伝達があります。熱伝達プロセスは、接触している物体の温度が等しくなるか、物体間の接触がなくなるとすぐに停止します。
一定の期間にある物体から別の物体に伝達されるエネルギー量は、伝達熱と呼ばれます。ある体は別の体に熱を与えたり、それを吸収したりできますが、熱は常に最高温度の体から最低温度の体へと行きます。
図1.たき火には、熱伝達の3つのメカニズムがあります。伝導、対流、および放射です。出典：Pixabay。
熱の単位はエネルギーの単位と同じであり、国際測定システム（SI）ではジュール（J）です。他の頻繁に使用される熱の単位は、カロリーとBTUです。
熱伝達を支配する数学的法則に関しては、それらは交換に関与するメカニズムに依存します。
ある物体から別の物体に熱が伝導される場合、熱交換の速度は温度差に比例します。これはフーリエの熱伝導の法則として知られており、ニュートンの冷却の法則につながります。
熱伝達の形態/メカニズム
それらは、2つの物体間で熱を交換する方法です。3つのメカニズムが認識されます。
-運転
-対流
-放射線
上の図のようなポットには、次の3つの熱伝達メカニズムがあります。
-鍋の金属は主に伝導によって加熱されます。
-水と空気は加熱され、対流によって上昇します。
-鍋の近くの人々は放射される放射によって熱くされます。
運転
熱伝導は主に固体、特に金属で発生します。
たとえば、キッチンのストーブは、底の金属とコンテナの金属の壁を介して、伝導メカニズムを介して鍋内の食品に熱を伝達します。熱伝導では物質の輸送はなく、エネルギーのみです。
対流
対流メカニズムは、液体と気体に典型的です。これらは、高温ではほとんど常に密度が低く、このため、高温の流体部分から低温の流体部分のある高い領域への熱の上方への移動があります。対流メカニズムには物質輸送があります。
放射線
その一部として、輻射メカニズムは、2つの物体が接触していない場合でも熱交換を可能にします。直接の例は太陽であり、太陽はそれらの間の空の空間を通して地球を加熱します。
すべての身体は電磁放射を放出および吸収します。真空状態であっても、温度が異なる2つのボディがある場合、しばらくすると電磁放射による熱交換により同じ温度に達します。
熱伝達率
平衡熱力学システムでは、環境と交換される全熱量が重要になるため、システムは平衡状態から別の平衡状態に移行します。
一方、熱伝達では、システムがまだ熱平衡に達していない一時的な現象に注目が集まっています。一定の時間内に熱量が交換される、つまり熱伝達の速度があることに注意することが重要です。
例
-熱伝導の例
熱伝導率では、熱エネルギーは、固体、液体、気体のいずれであっても、材料の原子と分子の間の衝突によって伝達されます。
固体は、気体や液体よりも優れた熱伝導体です。金属には、金属を通って移動できる自由電子があります。
自由電子は移動度が高いため、衝突を通じて運動エネルギーをより効率的に伝達できるため、金属の熱伝導率が高くなります。
巨視的な観点から、熱伝導率は、単位時間あたりに伝達される熱量または熱量Hとして測定されます。
図2.バーを通る熱伝導。Fanny Zapataによって作成されました。
熱量Hは、面積Aの断面積と縦距離の単位あたりの温度の変化に比例します。
この方程式は、図2のようなバーのカロリー電流Hを計算するために適用されます。これは、それぞれ温度T 1とT 2の2つのリザーバーの間にあり、T 1 > T 2です。
材料の熱伝導率
以下は、ワット数/メートル/ケルビンでのいくつかの材料の熱伝導率のリストです：W /（m。K）
アルミニウム-------- 205
銅--------- 385
シルバー---------- 400
鋼---------– 50
コルクまたはグラスファイバー-0.04
コンクリートまたはガラス----- 0.8
木材----- 0.05から0.015
空気--------– 0.024
-対流熱の例
熱対流では、温度が異なると密度が異なる流体の動きによってエネルギーが伝達されます。例えば、鍋で湯を沸かすと、底の近くの水が温度を上げて膨張します。
この膨張により温水が上昇し、冷水は下降して上昇した温水が残した空間を占めます。結果は、すべてのレベルの温度が等しくなるまで続く循環運動です。
対流は、地球の大気中の大きな気団の動きを決定し、海流の循環も決定するものです。
-輻射熱の例
伝導および対流による熱伝達のメカニズムでは、熱を伝達するために材料の存在が必要です。対照的に、放射メカニズムでは、熱は真空を介して1つの物体から別の物体に伝わります。
これは、太陽が地球よりも高い温度で、宇宙の真空を介して直接エネルギーを地球に伝達するメカニズムです。放射線は電磁波を通して私たちのところにやって来ます。
すべての材料は、電磁放射を放出および吸収することができます。放出または吸収される周波数の最大値は材料の温度に依存し、この周波数は温度とともに増加します。
黒体の発光または吸収スペクトルの主な波長は、主な波長は体温の逆数に比例するというウィーンの法則に従います。
一方、物体が電磁放射によって熱エネルギーを放出または吸収する電力（ワット）は、絶対温度の4乗に比例します。これはステファンの法則として知られています。
P =εAσT 4
上記の式で、σはステファンの定数であり、その値は5.67 x 10-8 W / m 2 K 4です。Aは体の表面積であり、εは材料の放射率であり、その値は0から1の間であり、材料に依存する無次元定数です。
運動が解決されました
図2のバーを考えてみます。バーが長さ5 cm、半径1 cmで、銅製であるとします。
バーは、温度を一定に保つ2つの壁の間に配置されます。最初の壁の温度はT1 =100ºCですが、もう1つはT2 =20ºCです。決定：
a.-熱電流Hの値
b.-温度T1の壁から2 cm、3 cm、および4 cmでの銅バーの温度。
への解決策
銅棒は、常に同じ温度に保たれている2つの壁の間に置かれているので、定常状態と言えます。つまり、熱電流Hはどの瞬間でも同じ値になります。
この電流を計算するには、電流Hを温度差とバーの長さに関連付ける式を適用します。
断面積は次のとおりです。
A =πR 2 = 3.14 *（1×10 -2 M）2 = 3.14×10 -4 M 2
バーの両端の温度差は
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 *（80K / 5 x 10 -2 m）= 193.4 W
定常状態に達しているため、この電流はバーのどの時点でも同じです。
ソリューションb
この部分では、壁T 1から距離Xpにある点Pでの温度Tpを計算するよう求められます。
ポイントPでの熱量Hを与える式は次のとおりです。
この式から、Tpは次のように計算できます。
数値を代入して、2 cm、3 cm、4 cmの位置での温度Tpをそれぞれ計算してみましょう。
- Tp = 340.6K = 67.6°C; T1から2 cm
- Tp = 324.4K = 51.4°C; T1から3 cm
- Tp = 308.2K = 35.2°C; T1から4 cm
参考文献
- Figueroa、D。2005。シリーズ：科学と工学のための物理学。ボリューム5.流体と熱力学。ダグラスフィゲロア（USB）によって編集されました。
- カークパトリック、L。2007。物理学：世界の概観。6要約版。Cengage Learning。
- レイ、J。2004。エンジニアのための一般的な物理学。USACH。
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- Strangeways、I。2003。自然環境の測定。2番目。版。ケンブリッジ大学出版局。
- ウィキペディア。熱伝導率。回復元：es.wikipedia.com