Novinky

Odeslat stránku emailem

Zašlete tuto stránku svým přátelům, ať se na ní také podívají.

Jaký je rozdíl mezi přenosem tepla vedením, prouděním a sáláním?

Podívejme se blíže na přenos tepla a tři jeho hlavní způsoby.

Přenos tepla je fyzikální jev výměny tepelné energie mezi dvěma systémy šířícím se teplem. Základními principy přenosu tepla jsou teplota a tepelný tok. Teplotou je určeno dostupné množství tepelné energie a tepelný tok představuje přesun tepelné energie.

V mikroskopickém měřítku existuje přímá souvislost mezi kinetickou energií molekul a tepelnou energií. Se stoupající teplotou se zvyšuje tepelný neklid molekul, který se projevuje lineárním pohybem a kmitáním. Z oblastí, které obsahují vyšší kinetickou energii, se energie přenáší do oblastí s nižší kinetickou energií. Zjednodušeně řečeno je přenos tepla možné rozdělit do tří širokých kategorií: vedení (kondukce), proudění (konvekce) a sálání (záření, radiace).

Vedení

Přenos tepla vedením (kondukcí) probíhá prostřednictvím přímých srážek molekul. Z oblasti s vyšší kinetickou energií se tepelná energie přenáší do oblasti s nižší kinetickou energií. Částice s vyšší rychlostí se srážejí s částicemi s nižší rychlostí. V důsledku toho se zvýší kinetická energie pomalejších částic. Vedení je nejčastějším způsobem přenosu tepla a dochází k němu prostřednictvím fyzického kontaktu. Příkladem je, když si sáhnete na okno nebo vložíte kus kovu do otevřeného plamene.

Proces vedení tepla závisí na následujících činitelích: teplotní spád, průřez materiálu, délka dráhy přenosu a fyzikální vlastnosti materiálu. Teplotní spád je fyzikální veličina, která popisuje směr a rychlost šíření tepla. K přenosu teploty dochází vždy z nejteplejšího místa do nejchladnějšího neboli, jak bylo řečeno výše, z místa s vyšší kinetickou energií do místa s nižší kinetickou energií. Jakmile se teplotní rozdíl vyrovná a dojde k tepelné rovnováze, přenos tepla se zastaví.

Při přenosu tepla vedením hraje důležitou roli průřez materiálu i dráha přenosu. Čím větší je velikost a délka tělesa, tím více energie je potřeba na jeho zahřátí. A čím větší je jeho nechráněný povrch, tím více tepla se ztrácí. Menší tělesa s malými průřezy mají minimální tepelné ztráty.

Fyzikální vlastnosti určují, které materiály přenášejí teplo lépe než jiné. Konkrétně se jedná o součinitel tepelné vodivosti, který říká, že pokud jde o přenos tepla vedením, vede kovový materiál teplo lépe než textilie. Rychlost přenosu tepla vedením se vypočítá pomocí následující rovnice:

Q = [k ∙ A ∙ (Ttep – Tstud)]/d

kde

Q = teplo přenesené za jednotku času

k = tepelná vodivost stěny

A = teplosměnná plocha

Ttep = teplota teplé oblasti

Tstud = teplota studené oblasti

d = tloušťka stěny.

Proudění

Když se ohřeje tekutina, jako je vzduch nebo kapalina, a pak proudí od zdroje, nese s sebou tepelnou energii. Tento druh přenosu tepla se nazývá přenos prouděním (konvekcí). Tekutina se nad horkým povrchem rozpíná, získává nižší hustotu a stoupá.

Na molekulární úrovni se molekuly po přivedení tepelné energie rozpínají. Jak roste teplota tekutiny dané hmotnosti, musí se ve stejném poměru zvětšovat i objem tekutiny. Tento jev způsobuje vytlačování tekutiny. Jak nejbližší horký vzduch stoupá, tlačí hustší chladnější vzduch dolů. Tato řada událostí představuje vznik konvekčních proudů. Rovnice pro rychlost proudění se vypočítá následovně:

Q = hk ∙ A ∙ (Tp – Tt)

kde

Q = teplo přenesené za jednotku času

hk = součinitel přenosu tepla konvekcí

A = teplosměnná plocha povrchu

Tp = teplota povrchu

Tt = teplota tekutiny.

Sálání

K sálání tepla dochází vyzařováním elektromagnetických vln. Tyto vlny unášejí energii pryč od vyzařujícího tělesa. K sálání dochází i ve vakuu nebo v libovolném průsvitném materiálu (pevném i tekutém). Sálání tepla je přímým důsledkem náhodných pohybů atomů a molekul v hmotě. Pohyb nabitých protonů a elektronů vede k vyzařování elektromagnetického záření.

Všechny materiály vyzařují tepelnou energii na základě své teploty. Čím teplejší je těleso, tím více vyzařuje. Zřejmým příkladem tepelného záření, které přenáší teplo přes celou sluneční soustavu, je slunce. Při běžné pokojové teplotě tělesa vyzařují v oblasti infračerveného vlnění. Teplota tělesa ovlivňuje vlnovou délku a kmitočet vyzařovaných vln. Se zvyšující se teplotou se zkracují vlnové délky v rámci spekter emitovaného záření a dochází k vyzařování kratších vlnových délek záření s vyšší frekvencí. Tepelné záření se vypočítá pomocí Stefanova–Boltzmannova zákona:

P = e ∙ σ ∙ A· (Tr4 – Tc4)

P = čistý vyzářený výkon

A = vyzařující plocha

Tr = teplota zářiče

Tc = teplota okolí

e = emisivita

σ = Stefanova–Boltzmannova konstanta.

Emisivita ideálního zářiče má hodnotu 1. Běžné materiály mají nižší hodnoty emisivity. Emisivita eloxovaného hliníku má hodnotu 0,9, zatímco u mědi je to 0,04.

zdroj: machinedesign.com