Kiedy badamy procesy wymiany ciepła zachodzące w dwóch ciałach o różnych temperaturach, przeprowadzamy jakościowe badanie wymiany ciepła, które może wystąpić przez przewodzenie, napromieniowanie i konwekcja. Jednak, gdy wykonujemy tego typu badania, nie chodzi nam o określenie wartości ilości ciepła, które jest przekazywane z jednego ciała do drugiego. Dowiemy się wtedy, jak obliczyć ilość ciepła zaangażowanego w procesy przewodzenia i napromieniania.
Napędowy
Przepływ ciepła między dwoma ciałami
Rozważmy dwa ciała o różnych temperaturach T1 oraz T2, będąc T2>T1. Jeśli połączymy te dwa ciała metalowym prętem o jednakowym przekroju A i długości L, nastąpi przewodzenie ciepła przez większe ciało. temperatura ciała o najniższej temperaturze, określając, że ΔQ to ilość ciepła, która przechodzi przez pręt w danym zakresie czas t. Iloraz między ilością ciepła a przedziałem czasu nazywa się Przepływ ciepła, który jest reprezentowany przez grecką literę fi (Φ) i matematycznie można zapisać w następujący sposób:
Jeżeli metalowy pręt łączący oba korpusy jest otoczony izolatorem, sprawdza się, czy po pewnym czasie pręt ten osiąga stan zwany stan stabilny, który charakteryzuje się tym samym strumieniem ciepła w dowolnym punkcie pręta. W wyniku tego batonik osiąga stałą temperaturę w całym batonie i nie zmienia się w czasie.
Eksperymentalnie można sprawdzić, czy strumień ciepła wynosi:
• Wprost proporcjonalna do powierzchni przekroju pręta łączącego oba korpusy;
• Wprost proporcjonalna do różnicy temperatur między dwoma ciałami;
• odwrotnie proporcjonalna do długości pręta łączącego korpusy.
Łącząc te trzy sprawdzenia i wprowadzając stałą proporcjonalności, możemy napisać następujące równanie matematyczne:
Gdzie K jest stałą cechą materiału, z którego składa się pasek i nazywa się przewodność cieplna. Im większa wartość tej stałej, tym większy przepływ ciepła przewodzi pręt.
Promieniowanie
Wiemy, że wymiana ciepła na drodze przewodzenia i konwekcji wymaga do tego obecności ośrodka materialnego. Z procesem promieniowania dzieje się odwrotnie, to znaczy, że proces ten nie wymaga środków do means zachodzi wymiana ciepła między dwoma ciałami, jak np. wymiana ciepła między Słońcem a Ziemia.
Ogólnie rzecz biorąc, gdy szkło otrzymuje pewną ilość energii promieniowania, na przykład promieniowanie słoneczne, ciało pochłania część tego promieniowania, a reszta jest odbijana. Wiemy, że ciemne ciała mają zdolność pochłaniania większej ilości energii promieniowania niż ciała jasne.
Rozważmy ciało, którego zewnętrzna powierzchnia ma obszar A i które emituje przez ten obszar całkowite promieniowanie mocy P, które jest energią wypromieniowaną w jednostce czasu przez całość powierzchnia. Następująca zależność matematyczna nazywana jest promieniowaniem lub mocą emisyjną (R) ciała:
R = P/A
A jego jednostką w międzynarodowym układzie jednostek jest W/m2.
Jednak w połowie XX wieku austriaccy naukowcy J. Stefana i L. Boltzmann doszedł eksperymentalnie do wniosku, że: blask ciała jest proporcjonalny do czwartej potęgi jego temperatury w kelwinach, czyli R = σT4. Gdzie σ nazywa się stałą Stefana-Boltzmanna i utrzymuje się przy SI σ = 5,67 x 10-8W/m2K4. Zostało to zweryfikowane dla prawdziwego ciała, to znaczy ciał, które w pełni pochłaniają lub odbijają całe promieniowanie. Gdy ciało nie jest rzeczywiste, do równania opisanego przez Stefana-Baltzmanna dodaje się stałą zwaną emisyjnością, a więc: R = еσT4. To jest Prawo Stefana-Boltzmanna a dzięki niemu możemy obliczyć promieniowanie dowolnego ciała, gdy znamy jego temperaturę i emisyjność.
Autor: MARCO Aurélio da Silva
Brazylijska drużyna szkolna
Termologia - Fizyka - Brazylia Szkoła
Źródło: Brazylia Szkoła - https://brasilescola.uol.com.br/fisica/estudo-quantitativo-transferencia-calor.htm
