Θερμική Αγωγή

Τα άτομα δημιουργούν αντικείμενα με ποικίλη θερμική αγωγιμότητα, όπως μαγειρικά σκεύη για τη θέρμανση ειδών ή μονωμένα δοχεία για να διατηρούν τα ζεστά αντικείμενα ζεστά και τα κρύα αντικείμενα. Σύμφωνα με την ατομική υπόθεση, τα στερεά, τα υγρά και τα αέρια αποτελούνται από μικρά σωματίδια γνωστά ως "άτομα".

Η αγωγιμότητα μπορεί να συμβεί όταν ένα συστατικό του υλικού θερμαίνεται. Τα άτομα σε αυτό το τμήμα δονούνται με ταχύτερο ρυθμό και έτσι είναι πιο επιρρεπή σε σύγκρουση με τους γείτονές τους. Οι συγκρούσεις οδηγούν αυτά τα άτομα να ταξιδεύουν επίσης γρηγορότερα, μεταφέροντας θερμική ενέργεια σε αυτά κατά τη διαδικασία. Ως αποτέλεσμα, η ενέργεια περνά μέσα από το στερεό με αυτόν τον τρόπο. Όπως όλοι γνωρίζουμε, ο αέρας είναι ο κακός αγωγός της θερμότητας.

Η αγωγιμότητα της θερμότητας είναι ένας από τους τρεις θεμελιώδεις τρόπους μετάδοσης της θερμικής ενέργειας (οι άλλοι δύο είναι η μεταφορά και η ακτινοβολία) και εμπλέκεται σχεδόν σε όλες τις διαδικασίες μεταφοράς θερμότητας (η μεταφορά και η ακτινοβολία είναι οι άλλες δύο). Ο εμπορικός εξοπλισμός ανταλλαγής θερμότητας, για παράδειγμα, μεταφέρει τη θερμότητα μέσω ενός συμπαγούς τοιχώματος (συνήθως ενός τοιχώματος σωλήνα) που διαχωρίζει δύο ρευστά που βρίσκονται σε διαφορετικές θερμοκρασιακές διαφορές. Εκτός από αυτό, η ιδέα της θερμικής αντίστασης, η οποία προκύπτει από τις βασικές εξισώσεις της αγωγιμότητας της θερμότητας, χρησιμοποιείται συχνά στην ανάλυση θεμάτων που προκύπτουν στο σχεδιασμό και τη λειτουργία του βιομηχανικού εξοπλισμού. Πολλά συνηθισμένα ζητήματα μηχανικής διεργασίας μπορούν να αντιμετωπιστούν με αποδεκτή ακρίβεια χρησιμοποιώντας απλές λύσεις της εξίσωσης αγωγιμότητας θερμότητας για ορθογώνιες, κυλινδρικές και σφαιρικές γεωμετρίες, καθώς και άλλες απλές λύσεις της εξίσωσης αγωγιμότητας θερμότητας.

Ποιοι είναι οι καλύτεροι αγωγοί της θερμότητας;

Απαιτείται καλή θερμική αγωγιμότητα για να λειτουργήσει καλά η πλειονότητα του σύγχρονου εξοπλισμού, όπως οι θερμοσίφωνες και τα μαγειρικά σκεύη. Εξαιτίας αυτού, τα περισσότερα από αυτά είναι κατασκευασμένα από διαφορετικά είδη μετάλλων. Αντίθετα, ορισμένα μέταλλα, όπως τα κράματα, μεταδίδουν θερμότητα πιο αποτελεσματικά από άλλα, γεγονός που μπορεί να βοηθήσει αυτές τις συσκευές να λειτουργούν αποτελεσματικά σύμφωνα με τις απαιτήσεις σας.

Τι είναι η αγωγιμότητα στην επιστήμη της μεταφοράς θερμότητας και πώς λειτουργεί;

Η θερμότητα μπορεί να μεταφερθεί μόνο με τρεις τρόπους μεταφοράς:αγωγιμότητα, συναγωγή και μεταφορά θερμότητας με ακτινοβολία. Η αγωγιμότητα είναι πιθανώς η πιο συχνή από αυτές, και συμβαίνει τακτικά στον φυσικό κόσμο. Με λίγα λόγια, περιλαμβάνει τη μετάδοση θερμότητας από το ένα αντικείμενο στο άλλο με φυσική επαφή. Όταν αγγίζετε το χέρι σας σε ένα τζάμι, όταν βάζετε μια κατσαρόλα με νερό σε ένα ενεργό στοιχείο και όταν βάζετε ένα σίδερο στη φωτιά, αυτό συμβαίνει.

Μια διαβάθμιση θερμοκρασίας είναι ένα φυσικό μέγεθος που αντιπροσωπεύει την κατεύθυνση και τον ρυθμό με τον οποίο η θερμοκρασία μεταβάλλεται σε μια συγκεκριμένη θέση σε έναν δεδομένο χώρο. Ως αποτέλεσμα, δεδομένου ότι το κρύο δεν είναι τίποτα άλλο από την απουσία θερμικής ενέργειας, η θερμοκρασία θα ταξιδεύει πάντα από την πιο καυτή στην ψυχρότερη πηγή. Η μεταφορά μεταξύ των σωμάτων συνεχίζεται μέχρι να μειωθεί η διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ τους, οπότε επιτυγχάνεται η κατάσταση που είναι γνωστή ως θερμική ισορροπία.

Η διαδικασία της αγωγιμότητας της θερμότητας διέπεται από τέσσερις θεμελιώδεις παράγοντες:τη διαβάθμιση θερμοκρασίας, τη διατομή των εμπλεκόμενων υλικών, το μήκος της διαδρομής που ακολουθεί η θερμότητα και τις ιδιότητες των υλικών που εμπλέκονται στη διαδικασία.

Η διατομή και το μήκος της διαδρομής είναι άλλα κρίσιμα ζητήματα. Όσο μεγαλύτερο είναι το μέγεθος της ουσίας που εμπλέκεται στη μεταφορά, τόσο μεγαλύτερη είναι η ποσότητα θερμότητας που απαιτείται για τη θέρμανση της. Επιπλέον, όσο μεγαλύτερη είναι η έκταση της επιφάνειας που εκτίθεται στον ανοιχτό αέρα, τόσο μεγαλύτερος είναι ο κίνδυνος απώλειας θερμότητας από το κτίριο. Για να ελαχιστοποιηθεί η απώλεια θερμικής ενέργειας, τα πιο κοντά αντικείμενα με μικρότερη διατομή είναι οι πιο αποτελεσματικές μέθοδοι για να γίνει αυτό.

Καλύτεροι αγωγοί θερμότητας

Ανοξείδωτο ατσάλι

Ο ανοξείδωτος χάλυβας χρησιμοποιείται σε σταθμούς παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας για ατμοστρόβιλους και αεριοστρόβιλους, μεταξύ άλλων, λόγω της αντοχής του στη θερμότητα και της αντοχής στη διάβρωση. Σύμφωνα με την αρχιτεκτονική, η επένδυση από ανοξείδωτο χάλυβα μπορεί να αντέξει σε υψηλές θερμοκρασίες για μεγαλύτερο χρονικό διάστημα, επιτρέποντας στις κατασκευές να παραμένουν πιο δροσερές σε άμεση ηλιοφάνεια.

Αλουμίνιο

Παρόλο που το αλουμίνιο έχει ελαφρώς χαμηλότερη θερμική αγωγιμότητα από τον χαλκό, είναι ελαφρύτερο σε βάρος και λιγότερο ακριβό, καθιστώντας το πιο οικονομικό και πιο εύκολο στην εργασία υλικό για πολλές εφαρμογές. Μικρές ψύκτρες με πτερύγια αλουμινίου που εκτείνονται στον αέρα χρησιμοποιούνται από μικροηλεκτρονικά όπως LED και δίοδοι λέιζερ, για παράδειγμα. Παθητικά, ή με τη βοήθεια της εξαναγκασμένης μεταφοράς ροής αέρα ή ενός θερμοηλεκτρικού ψυγείου, η θερμότητα που δημιουργείται από τα ηλεκτρονικά μεταφέρεται από ένα τσιπ σε ένα υπόστρωμα αλουμινίου και στη συνέχεια στο περιβάλλον περιβάλλον.

Χαλκός

Ο χαλκός έχει πολύ υψηλή θερμική αγωγιμότητα και είναι πολύ λιγότερο ακριβός και πιο εύκολα προσβάσιμος από το ασήμι, το οποίο είναι το καλύτερο μέταλλο για τη μετάδοση θερμότητας μεταξύ όλων των μετάλλων. Η αντίσταση στη διάβρωση του χαλκού, καθώς και η αντοχή του στη βιορρύπανση, τον καθιστούν κατάλληλο υλικό για χρήση σε ηλιακούς θερμοσίφωνες, θερμοσίφωνες αερίου και βιομηχανικούς εναλλάκτες θερμότητας καθώς και σε ψυγεία, κλιματιστικά και αντλίες θερμότητας.

Συμπέρασμα

Η αγωγιμότητα ορίζεται ως η μεταφορά θερμότητας από το ένα αντικείμενο στο άλλο μέσω φυσικής επαφής. Όταν ένα πράγμα θερμαίνεται, τα μόρια μέσα του αρχίζουν να τρέμουν και να κινούνται. Ανακινούν επίσης και μετακινούν τους γείτονές τους, και όσο μεγαλύτερος είναι ο αριθμός των μορίων που ανακινούνται, τόσο μεγαλύτερη είναι η ποσότητα της μεταφοράς θερμότητας που συμβαίνει. Η θερμική αγωγιμότητα είναι μια ιδιότητα ενός μετάλλου που αξιολογεί την ικανότητά του να μεταφέρει τη θερμότητα. Αυτά τα χαρακτηριστικά ποικίλλουν μεταξύ των διαφόρων ειδών μετάλλων και είναι ιδιαίτερα σημαντικό να λαμβάνονται υπόψη σε καταστάσεις όπου οι υψηλές θερμοκρασίες λειτουργίας είναι σύνηθες φαινόμενο. Απαιτείται καλή θερμική αγωγιμότητα για να λειτουργήσει καλά η πλειονότητα του σύγχρονου εξοπλισμού, όπως οι θερμοσίφωνες και τα μαγειρικά σκεύη. Εξαιτίας αυτού, τα περισσότερα από αυτά είναι κατασκευασμένα από διαφορετικά είδη μετάλλων.