Τρεις τύποι μεταφοράς θερμότητας

Η μεταφορά θερμότητας καταλαμβάνει ένα πεδίο που περιλαμβάνει ένα ευρύ φάσμα λειτουργιών, από τις απλές διαδικασίες θέρμανσης και ψύξης αντικειμένων έως προηγμένες θερμοδυναμικές έννοιες στη θερμική φυσική. Για να κατανοήσετε πώς δροσίζει ένα ποτό το καλοκαίρι ή πώς η θερμότητα ταξιδεύει από τον ήλιο στη Γη, πρέπει να κατανοήσετε αυτές τις βασικές αρχές μεταφοράς θερμότητας σε ένα θεμελιώδες επίπεδο.

Δεύτερος Νόμος της Θερμοδυναμικής

Ο Δεύτερος Θερμοδυναμικός Νόμος δηλώνει ότι η θερμότητα μεταφέρεται από ένα αντικείμενο υψηλότερης θερμοκρασίας σε αυτό με χαμηλότερη θερμοκρασία. Τα άτομα υψηλότερης ενέργειας (και επομένως υψηλότερη θερμοκρασία) κινούνται προς τα άτομα χαμηλότερης ενέργειας (χαμηλότερη θερμοκρασία) για να διατηρήσουν την ισορροπία (γνωστή ως θερμική ισορροπία). Η μεταφορά θερμότητας πραγματοποιείται προκειμένου να διατηρηθεί αυτή η αρχή όταν ένα αντικείμενο βρίσκεται σε διαφορετική θερμοκρασία από ένα άλλο αντικείμενο ή το περιβάλλον του.

Μεταφορά θερμότητας κατά αγωγιμότητα

Όταν τα σωματίδια της ύλης βρίσκονται σε άμεση επαφή, η θερμότητα μεταφέρεται μέσω αγωγιμότητας. Τα γειτονικά άτομα υψηλότερης ενέργειας δονούνται μεταξύ τους, γεγονός που μεταφέρει την υψηλότερη ενέργεια στη χαμηλότερη ενέργεια ή την υψηλότερη θερμοκρασία στη χαμηλότερη θερμοκρασία. Δηλαδή, άτομα υψηλότερης έντασης και υψηλότερης θερμότητας θα δονούνται, μετακινώντας έτσι τα ηλεκτρόνια σε περιοχές χαμηλότερης έντασης και χαμηλότερης θερμότητας. Τα υγρά και τα αέρια είναι λιγότερο αγώγιμα από τα στερεά (τα μέταλλα είναι οι καλύτεροι αγωγοί) λόγω του γεγονότος ότι είναι λιγότερο πυκνά, που σημαίνει ότι υπάρχει μεγαλύτερη απόσταση μεταξύ των ατόμων.

Μεταφορά θερμότητας με συναγωγή

Η συναγωγή περιγράφει τη μεταφορά θερμότητας μεταξύ μιας επιφάνειας και ενός υγρού ή αερίου σε κίνηση. Καθώς το ρευστό ή το αέριο ταξιδεύουν γρηγορότερα, η μεταφορά θερμότητας με συναγωγή αυξάνεται. Δύο τύποι μεταφοράς είναι η φυσική μεταφορά και η εξαναγκασμένη μεταφορά. Στη φυσική συναγωγή, η κίνηση του ρευστού προκύπτει από τα θερμά άτομα στο ρευστό, όπου τα θερμά άτομα κινούνται προς τα πάνω προς τα ψυχρότερα άτομα στον αέρα - το ρευστό κινείται υπό την επίδραση της βαρύτητας. Παραδείγματα αυτού περιλαμβάνουν τα ανερχόμενα σύννεφα καπνού τσιγάρου ή θερμότητα από το καπό ενός αυτοκινήτου που ανεβαίνει προς τα πάνω. Στην εξαναγκασμένη μεταφορά, το ρευστό αναγκάζεται να ταξιδέψει στην επιφάνεια από έναν ανεμιστήρα ή μια αντλία ή κάποια άλλη εξωτερική πηγή.

Μεταφορά θερμότητας και ακτινοβολία

Η ακτινοβολία (δεν πρέπει να συγχέεται με τη θερμική ακτινοβολία) αναφέρεται στη μεταφορά θερμότητας μέσω του κενού χώρου. Αυτή η μορφή μεταφοράς θερμότητας λαμβάνει χώρα χωρίς παρέμβαση μέσου. Η ακτινοβολία λειτουργεί ακόμη και μέσα και μέσα από ένα τέλειο κενό. Για παράδειγμα, η ενέργεια από τον ήλιο ταξιδεύει μέσω του κενού του διαστήματος προτού η μεταφορά θερμότητας θερμάνει τη Γη.

Η μεταφορά θερμότητας αποτελεί αναπόσπαστο μέρος της εκπαίδευσης σε σχετικά μαθήματα, όπως στο πρόγραμμα σπουδών της χημικής ή της μηχανολογίας. Η Βιομηχανία και η HVAC (θέρμανση, εξαερισμός και ψύξη αέρα) είναι παραδείγματα βιομηχανιών που βασίζονται σε μεγάλο βαθμό στη θερμοδυναμική και στις αρχές της μεταφοράς θερμότητας. Η θερμική επιστήμη και η θερμική φυσική είναι ανώτεροι τομείς εκπαίδευσης που ασχολούνται με τη μεταφορά θερμότητας.