Όταν μελετάμε τις διαδικασίες μεταφοράς θερμότητας που λαμβάνουν χώρα σε δύο σώματα διαφορετικών θερμοκρασιών, κάνουμε μια ποιοτική μελέτη της μεταφοράς θερμότητας που μπορεί να συμβεί με αγωγιμότητα, ακτινοβολία και μεταγωγή. Ωστόσο, όταν κάνουμε αυτό το είδος μελέτης, δεν ασχολούμαστε με τον προσδιορισμό της τιμής της ποσότητας θερμότητας που μεταφέρεται από το ένα σώμα στο άλλο. Στη συνέχεια θα μάθουμε πώς να υπολογίζουμε την ποσότητα θερμότητας που εμπλέκεται στις διαδικασίες αγωγιμότητας και ακτινοβόλησης.
Οδήγηση
Ροή θερμότητας μεταξύ δύο σωμάτων
Ας εξετάσουμε δύο σώματα με διαφορετικές θερμοκρασίες Τ1 και Τ2, είναι Τ2> Τ1. Εάν ενώσουμε αυτά τα δύο σώματα με μια μεταλλική ράβδο ομοιόμορφου τμήματος Α και μήκους L, θα συμβεί η αγωγή θερμότητας του μεγαλύτερου σώματος. θερμοκρασία για το σώμα της χαμηλότερης θερμοκρασίας, προσδιορίζοντας ότι το ΔQ είναι η ποσότητα θερμότητας που διέρχεται από τη ράβδο σε μια δεδομένη περιοχή ώρα t. Καλείται το πηλίκο μεταξύ της ποσότητας θερμότητας και του χρονικού διαστήματος
ροή θερμότητας, που αντιπροσωπεύεται από το ελληνικό γράμμα fi (Φ) και μαθηματικά μπορεί να γραφτεί ως εξής:
Εάν η μεταλλική ράβδος που συνδέει τα δύο σώματα περιβάλλεται από έναν μονωτή, επαληθεύεται ότι μετά από ένα ορισμένο χρονικό διάστημα η ράβδος φτάνει στην κατάσταση που ονομάζεται σταθερή κατάσταση, το οποίο χαρακτηρίζεται από το ότι έχει την ίδια ροή θερμότητας σε οποιοδήποτε σημείο της ράβδου. Ως αποτέλεσμα αυτού του γεγονότος, η ράβδος φτάνει σε μια θερμοκρασία που είναι σταθερή σε όλη τη ράβδο και δεν αλλάζει με το χρόνο.
Πειραματικά είναι δυνατόν να επαληθευτεί ότι η ροή θερμότητας είναι:
• Απευθείας ανάλογη με την περιοχή του τμήματος της ράβδου που ενώνει τα δύο σώματα.
• Άμεσα ανάλογη με τη διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ των δύο σωμάτων.
• Αντίστροφα ανάλογο με το μήκος της ράβδου που ενώνει τα σώματα.
Συνδυάζοντας αυτούς τους τρεις ελέγχους και εισάγοντας μια σταθερά αναλογικότητας, μπορούμε να γράψουμε την ακόλουθη μαθηματική εξίσωση:
Όπου το Κ είναι ένα σταθερό χαρακτηριστικό του υλικού που αποτελεί τη ράβδο και ονομάζεται θερμική αγωγιμότητα. Όσο μεγαλύτερη είναι η τιμή αυτής της σταθεράς, τόσο μεγαλύτερη είναι η ροή θερμότητας που διεξάγει η ράβδος.
Ακτινοβολία
Γνωρίζουμε ότι η μεταφορά θερμότητας με αγωγιμότητα και μεταφορά απαιτεί την παρουσία ενός υλικού μέσου για να συμβεί αυτό. Με τη διαδικασία ακτινοβολίας, συμβαίνει το αντίθετο, δηλαδή, αυτή η διαδικασία δεν χρειάζεται μέσα για το Η μεταφορά θερμότητας μεταξύ δύο σωμάτων συμβαίνει, όπως, για παράδειγμα, η μεταφορά θερμότητας μεταξύ του Ήλιου και Γη.
Σε γενικές γραμμές, όταν ένα γυαλί λαμβάνει μια ορισμένη ποσότητα ακτινοβολίας ενέργειας, για παράδειγμα, ακτινοβολία από τον ήλιο, το σώμα απορροφά μέρος αυτής της ακτινοβολίας και το υπόλοιπο αντανακλάται. Γνωρίζουμε ότι τα σκοτεινά σώματα έχουν την ικανότητα να απορροφούν περισσότερη ακτινοβολία ενέργειας από τα ελαφριά σώματα.
Σκεφτείτε ένα σώμα του οποίου η εξωτερική επιφάνεια έχει την περιοχή Α, και το οποίο εκπέμπει μέσω αυτής της περιοχής μια συνολική ακτινοβολία ισχύος P, που είναι η ενέργεια που ακτινοβολείται ανά μονάδα χρόνου πάνω από όλα επιφάνεια. Η ακόλουθη μαθηματική σχέση ονομάζεται ακτινοβολία ή εκπεμπόμενη δύναμη (R) ενός σώματος:
Μην σταματάς τώρα... Υπάρχουν περισσότερα μετά τη διαφήμιση.)
R = Ρ / Α
Και η μονάδα του στο Διεθνές Σύστημα Μονάδων είναι W / m2.
Ωστόσο, στα μέσα του 20ού αιώνα, οι Αυστριακοί επιστήμονες J. Stefan και L. Ο Boltzmann κατέληξε, πειραματικά, στο συμπέρασμα ότι η ακτινοβολία ενός σώματος είναι ανάλογη με την τέταρτη ισχύ της θερμοκρασίας του στο Kelvin, δηλαδή, R = σT4. Όπου το σ ονομάζεται σταθερά Stefan-Boltzmann και διατηρείται στο SI σ = 5,67 x 10-8Μ / μ2κ4. Αυτό έχει επαληθευτεί για ένα πραγματικό σώμα, δηλαδή σώματα που απορροφούν πλήρως ή αντανακλούν όλη την ακτινοβολία. Όταν το σώμα δεν είναι πραγματικό, η εξίσωση που περιγράφεται από τον Stefan-Baltzmann προστίθεται από μια σταθερά που ονομάζεται emissivity, έτσι: R = еσT4. Αυτό είναι Ο νόμος του Stefan-Boltzmann και μέσω αυτού μπορούμε να υπολογίσουμε τη λάμψη οποιουδήποτε σώματος όταν γνωρίζουμε τη θερμοκρασία και την εκπομπή του.
Από την MARCO Aurélio da Silva
Σχολική ομάδα της Βραζιλίας
Θερμολογία - Η φυσικη - Σχολείο της Βραζιλίας
Θα θέλατε να αναφέρετε αυτό το κείμενο σε σχολείο ή ακαδημαϊκό έργο; Κοίτα:
SANTOS, Marco Aurélio da Silva. "Ποσοτική μελέτη μεταφοράς θερμότητας". Σχολείο της Βραζιλίας. Διαθέσιμο σε: https://brasilescola.uol.com.br/fisica/estudo-quantitativo-transferencia-calor.htm. Πρόσβαση στις 27 Ιουνίου 2021.
