Undang -undang perpindahan panas, bentuk transmisi, contoh

Ada perpindahan panas Saat energi berubah dari satu tubuh ke tubuh lainnya karena perbedaan suhu antara keduanya. Proses perpindahan panas berhenti segera setelah suhu tubuh yang bersentuhan disamakan atau ketika kontak di antara mereka ditekan.

Jumlah energi yang ditransfer dari satu tubuh ke tubuh lainnya dalam periode waktu tertentu disebut Panas ditransfer. Satu tubuh dapat memberikan panas ke yang lain, atau dapat menyerapnya, tetapi panas selalu berubah dari tubuh suhu tertinggi ke suhu terendah.

Gambar 1. Dalam api unggun, tiga mekanisme perpindahan panas diberikan: mengemudi, konveksi dan radiasi. Sumber: Pixabay.

Unit panas sama dengan energi dan dalam Sistem Langkah -langkah Internasional (SI) adalah Joule (J). Unit panas lainnya yang sering digunakan adalah kalori dan btu. 

Adapun undang -undang matematika yang mengatur perpindahan panas, ini bergantung pada mekanisme yang mengintervensi dalam pertukaran. 

Saat panas dilakukan dari satu tubuh ke tubuh lainnya, kecepatan panas yang dipertukarkan sebanding dengan diferensial suhu. Ini dikenal sebagai Hukum Fourier konduktivitas termal, yang mengarah ke Hukum Pendingin Newton.

[TOC]

Bentuk/mekanisme transmisi panas

Mereka adalah cara di mana panas dapat dipertukarkan di antara dua tubuh. Tiga mekanisme diakui:

-Menyetir

-Konveksi

-Radiasi

Dalam pot seperti yang ditunjukkan pada gambar di atas, ada tiga mekanisme perpindahan panas ini:

-Logam pot terutama dipanaskan dengan mengemudi.

-Air dan udara panas dan naik dengan konveksi.

-Orang yang dekat dengan pot dipanaskan oleh radiasi yang dipancarkan.

Menyetir

Konduksi panas sebagian besar terjadi pada padatan dan khususnya logam.

Misalnya, tanduk dapur mengirimkan panas ke makanan di dalam panci melalui mekanisme penggerak logam dan dinding logam wadah. Dalam konduksi termal tidak ada transportasi material, hanya energi.

Konveksi

Mekanisme konveksi adalah khas dari cairan dan gas. Hampir selalu ini kurang padat pada suhu yang lebih tinggi, karena alasan ini ada transportasi panas dalam arti naik cairan terpanas ke daerah tinggi dengan cairan terdingin. Dalam mekanisme konveksi ada transportasi material. 

Dapat melayani Anda: keseimbangan yang tidak stabil: konsep dan contoh

Radiasi

Untuk bagiannya, mekanisme radiasi memungkinkan pertukaran panas antara dua badan bahkan ketika mereka tidak bersentuhan. Contoh langsungnya adalah matahari, yang memanaskan bumi melalui ruang kosong di antara keduanya. 

Semua tubuh memancarkan dan menyerap radiasi elektromagnetik. Jika Anda memiliki dua tubuh pada suhu yang berbeda, bahkan berada dalam ruang hampa, setelah beberapa saat akan mencapai suhu yang sama karena pertukaran kalori radiasi elektromagnetik.

Kecepatan transfer kalori

Dalam sistem termodinamika dalam keseimbangan itu mengimpor jumlah total panas yang dipertukarkan dengan lingkungan, sehingga sistem beralih dari satu keseimbangan ke keseimbangan lainnya.

Di sisi lain, perpindahan panas, minat berfokus pada fenomena sementara, ketika sistem belum mencapai keseimbangan termal. Penting untuk dicatat bahwa jumlah panas dipertukarkan dalam periode waktu tertentu, yaitu, ada kecepatan perpindahan panas.

Contoh

- Contoh mengemudi panas

Dalam konduktivitas termal energi panas ditransmisikan oleh tabrakan antara atom dan molekul material, apakah padatan, cair atau gas ini. 

Padatan adalah konduktor panas yang lebih baik daripada gas dan cairan. Di logam ada elektron gratis yang dapat bergerak di sekitar logam.

Karena elektron bebas memiliki mobilitas yang hebat, mereka dapat mengirimkan energi kinetik dengan tabrakan lebih efisien, sehingga logam memiliki konduktivitas termal yang tinggi.

Dari sudut pandang makroskopis, konduktivitas termal diukur sebagai jumlah panas yang ditransfer per unit waktu, atau arus kalori h:

Gambar 2. Konduksi panas melalui bar. Disiapkan oleh fanny zapata.

Arus kalori H sebanding dengan penampang KE dan variasi suhu per unit jarak longitudinal.

Formula sebelumnya dikenal sebagai Hukum Fourier dan proporsionalitas konstan k Itu adalah konduktivitas termal. 

Persamaan ini diterapkan untuk menghitung arus kalori H dari bar seperti yang pada Gambar 2, yaitu antara dua reservoir suhu T₁ Dan T₂ masing -masing, menjadi T₁> T₂.

Konduktivitas termal bahan

Di bawah ini ada daftar konduktivitas termal dari beberapa bahan watt pada Kelvin: w/(m . K) 

Dapat melayani Anda: Galileo Galilei dan hukum musim gugur bebasnya

Aluminium -205

Tembaga -385

Perak --400

Baja -50

Gabus atau fiberglass- 0,04

Beton atau kaca -0.8

Wood- 0,05 hingga 0,015

Udara - 0,024

- Contoh panas dengan konveksi

Dalam konveksi panas, energi ditransfer karena pergerakan cairan, yang, pada suhu yang berbeda, memiliki kepadatan yang berbeda. Misalnya, saat mendidih air dalam panci, air yang dekat dengan bagian bawah meningkatkan suhunya, sehingga melebar.

Pelebaran ini menyebabkan air panas naik, sedangkan dingin rendah untuk menempati ruang yang ditinggalkan oleh air panas yang memanjat. Hasilnya adalah gerakan sirkulasi yang berlanjut sampai suhu semua level sama.

Konveksi adalah yang menentukan pergerakan massa udara besar atmosfer Bumi dan juga menentukan sirkulasi arus laut.

- Contoh panas dengan radiasi

Dalam mekanisme transmisi panas dengan konduksi dan konveksi, adanya suatu bahan diperlukan sehingga panas ditransmisikan. Di sisi lain, dalam mekanisme radiasi panas dapat melewati dari satu tubuh ke tubuh lainnya melalui kekosongan.

Ini adalah mekanisme di mana matahari, pada suhu yang lebih tinggi dari bumi, mentransmisikan energi ke planet kita secara langsung dengan kekosongan ruang. Radiasi mencapai kita dengan gelombang elektromagnetik.

Semua bahan mampu memancarkan dan menyerap radiasi elektromagnetik. Frekuensi maksimum yang dipancarkan atau diserap tergantung pada suhu material dan frekuensi tersebut tumbuh dengan suhu.

Panjang gelombang dominan dalam spektrum emisi atau penyerapan tubuh hitam mengikuti Hukum Wien, yang menetapkan bahwa panjang gelombang dominan sebanding dengan kebalikan dari suhu tubuh.

Di sisi lain, kekuatan (dalam watt) yang dengannya tubuh memancarkan atau menyerap energi kalori dengan radiasi elektromagnetik sebanding dengan daya keempat dari suhu absolut. Ini dikenal sebagai Hukum Stefan:

P = εaσt⁴

Di ekspresi sebelumnya σ Ini adalah konstanta Stefan dan nilainya 5,67 x 10-8 w/m² K⁴. KE Itu adalah area permukaan tubuh dan ε Itu adalah emisivitas material, konstanta tanpa dimensi yang nilainya antara 0 dan 1, dan tergantung pada material.

Dapat melayani Anda: Proses Isobarik: Rumus, Persamaan, Eksperimen, Latihan

Olahraga diselesaikan

Pertimbangkan bilah pada Gambar 2. Misalkan bilah panjangnya 5 cm, radius 1 cm dan tembaga.

Bilah ditempatkan di antara dua dinding yang mempertahankan suhu konstannya. Dinding pertama memiliki suhu T1 = 100ºC, sedangkan yang lainnya berada di T2 = 20ºC. Menentukan:

ke.- Nilai arus termal h

B.- Suhu batang tembaga pada 2 cm, 3 cm dan 4 cm dari dinding suhu T1.

Solusi untuk

Karena bilah tembaga ditempatkan di antara dua dinding yang dindingnya mempertahankan suhu yang sama setiap saat, dapat dikatakan bahwa ia berada di rezim stasioner. Artinya arus termal h memiliki nilai yang sama untuk setiap saat.

Untuk menghitung arus ini, kami menerapkan rumus yang menghubungkan arus H dengan perbedaan suhu dan panjang batang.

Karena bilah adalah tembaga, kita tahu dalam tabel sebelumnya menunjukkan bahwa konduktivitas termal k voucher: 385 w/(m k).

Bagian melintang adalah:

A = πr² = 3.14*(1 × 10^-2M)² = 3.14 x 10^-4 M²

Perbedaan suhu antara ujung batang adalah

Δt = (100ºC - 20ºC) = (373K - 293K) = 80K

Δx = 5 cm = 5 x 10^-2 M

H = 385 w/(m k) * 3.14 x 10^-4 M² * (80k /5 x 10^-2 m) = 193.4 w

Arus ini sama pada titik mana pun di bar dan kapan saja, karena rezim stasioner telah tercapai.

Solusi b

Pada bagian ini kami diminta untuk menghitung suhu Tp pada suatu titik P terletak di kejauhan Xp Tentang dindingnya T₁.

Ekspresi yang memberikan arus kalori H pada intinya P adalah:

H = k a (t₁ -Tp)/(xp)

Dari ekspresi ini dapat dihitung Tp melalui:

Tp = t₁ - (H xp) / (k a) = 373 k - (193.4 w / (385 w / (m k) 3.14 x 10^-4 M²))*Xp

TP = 373 K - 1620.4 (k/m) * xp

Mari kita menghitung suhunya Tp Dalam posisi 2 cm, 3 cm dan 4 cm masing -masing, mengganti nilai numerik:

• Tp = 340.6K = 67.6 ºC; 2 cm dari T1
• Tp = 324.4k = 51.4 ºC; 3 cm dari T1
• Tp = 308.2k = 35.2 ºC; 4 cm dari T1

Referensi

1. Figueroa, d. 2005. Seri: Fisika untuk Sains dan Teknik. Volume 5. Cairan dan termodinamika. Diedit oleh Douglas Figueroa (USB).
2. Kirkpatrick, l. 2007. Fisika: Pandangan Dunia. Edisi Singkat ke -6. Pembelajaran Cengage.
3. Lay, j. 2004. Fisika Umum untuk Insinyur. USACH.
4. Mott, r. 2006. Mekanika Cairan. 4. Edisi. Pendidikan Pearson. 
5. Strangeways, i. 2003. Mengukur lingkungan alam. 2nd. Edisi. Cambridge University Press.
6. Wikipedia. Konduktivitas termal. Pulih dari: is.Wikipedia.com