การศึกษาเชิงปริมาณของการถ่ายเทความร้อน

เมื่อเราศึกษากระบวนการถ่ายเทความร้อนที่เกิดขึ้นในสองร่างที่มีอุณหภูมิต่างกัน เรากำลังทำการศึกษาเชิงคุณภาพของการถ่ายเทความร้อนที่อาจเกิดขึ้นจากการนำ การฉายรังสี และ การพาความร้อน อย่างไรก็ตาม เมื่อเราทำการศึกษาประเภทนี้ เราไม่ได้คำนึงถึงการกำหนดมูลค่าของปริมาณความร้อนที่ถ่ายเทจากวัตถุหนึ่งไปยังอีกวัตถุหนึ่ง จากนั้นเราจะเรียนรู้วิธีการคำนวณปริมาณความร้อนที่เกี่ยวข้องกับกระบวนการนำและการฉายรังสี

การขับรถ

การไหลของความร้อนระหว่างสองร่าง

ลองพิจารณาร่างสองร่างที่มีอุณหภูมิต่างกัน T₁ และ T₂, เป็น T₂>ท₁. หากเรารวมวัตถุทั้งสองนี้เข้ากับแถบโลหะที่มีส่วนสม่ำเสมอ A และความยาว L การนำความร้อนของวัตถุที่มีขนาดใหญ่กว่าจะเกิดขึ้น อุณหภูมิของร่างกายอุณหภูมิต่ำสุด โดยกำหนดว่า ΔQ คือปริมาณความร้อนที่ผ่านแถบในช่วงที่กำหนด เวลาที ผลหารระหว่างปริมาณความร้อนและช่วงเวลาเรียกว่า การไหลของความร้อน ซึ่งแสดงด้วยตัวอักษรกรีก fi (Φ) และสามารถเขียนทางคณิตศาสตร์ได้ดังนี้

หากแท่งโลหะที่เชื่อมต่อร่างกายทั้งสองล้อมรอบด้วยฉนวนจะได้รับการยืนยันว่าหลังจากช่วงเวลาหนึ่งแถบนี้ถึงสถานการณ์ที่เรียกว่า สภาวะคงตัวซึ่งมีลักษณะเฉพาะโดยมีฟลักซ์ความร้อนเท่ากันที่จุดใดก็ได้บนแถบ ผลจากข้อเท็จจริงนี้ บาร์มีอุณหภูมิคงที่ตลอดแถบ และไม่เปลี่ยนแปลงตามเวลา

จากการทดลอง สามารถตรวจสอบได้ว่ากระแสความร้อนคือ:
• เป็นสัดส่วนโดยตรงกับพื้นที่ของส่วนของแถบที่เชื่อมทั้งสองร่างกาย;
• สัดส่วนโดยตรงกับความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างร่างกายทั้งสอง;
• แปรผกผันกับความยาวของแท่งเชื่อมกับลำตัว
เมื่อรวมการตรวจสอบทั้งสามนี้และแนะนำค่าคงที่ตามสัดส่วนแล้ว เราสามารถเขียนสมการทางคณิตศาสตร์ต่อไปนี้ได้:

โดยที่ K เป็นคุณลักษณะคงที่ของวัสดุที่ประกอบเป็นแท่งและเรียกว่า การนำความร้อน. ยิ่งค่าของค่าคงที่นี้มากเท่าใด การไหลของความร้อนที่แท่งนั้นก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้น
รังสี
เรารู้ว่าการถ่ายเทความร้อนโดยการนำและการพาความร้อนจำเป็นต้องมีตัวกลางของวัสดุจึงจะเกิดขึ้นได้ กับกระบวนการแผ่รังสี ตรงกันข้ามเกิดขึ้น นั่นคือ กระบวนการนี้ไม่ต้องการวิธีการสำหรับ for การถ่ายเทความร้อนระหว่างวัตถุทั้งสองเกิดขึ้น ตัวอย่างเช่น การถ่ายเทความร้อนระหว่างดวงอาทิตย์กับ โลก.
โดยทั่วไป เมื่อแก้วได้รับพลังงานการแผ่รังสีจำนวนหนึ่ง เช่น การแผ่รังสีจากดวงอาทิตย์ ร่างกายจะดูดซับรังสีบางส่วนและส่วนที่เหลือจะสะท้อนกลับ เรารู้ว่าวัตถุที่มืดมีความสามารถในการดูดซับพลังงานที่เปล่งประกายมากกว่าวัตถุที่สว่าง
พิจารณาร่างที่มีพื้นผิวด้านนอกมีพื้นที่ A และเปล่งแสงผ่านบริเวณนั้น การแผ่รังสีรวมของกำลัง P ซึ่งเป็นพลังงานที่แผ่ออกมาต่อหน่วยเวลาทั้งหมด พื้นผิว ความสัมพันธ์ทางคณิตศาสตร์ต่อไปนี้เรียกว่าการแผ่รังสีหรือพลังการแผ่รังสี (R) ของร่างกาย:

อย่าเพิ่งหยุด... มีมากขึ้นหลังจากโฆษณา ;)

R = P/A

และหน่วยในระบบสากลของหน่วยคือ W/m².
อย่างไรก็ตาม ในช่วงกลางศตวรรษที่ 20 นักวิทยาศาสตร์ชาวออสเตรีย J. สเตฟานและแอล. Boltzmann มาทดลองเพื่อสรุปว่า ความเปล่งปลั่งของร่างกายเป็นสัดส่วนกับกำลังที่สี่ของอุณหภูมิในหน่วยเคลวิน นั่นคือ R = σT⁴. โดยที่ σ เรียกว่าค่าคงที่ Stefan-Boltzmann และคงไว้ที่ SI σ = 5.67 x 10^-8W/m²K⁴. สิ่งนี้ได้รับการตรวจสอบแล้วว่าเป็นร่างกายจริง กล่าวคือ ร่างกายที่ดูดซับหรือสะท้อนรังสีทั้งหมดได้อย่างเต็มที่ เมื่อร่างกายไม่มีจริง สมการที่ Stefan-Baltzmann บรรยายไว้ จะถูกเติมด้วยค่าคงที่ที่เรียกว่าการแผ่รังสี ดังนั้น: R = est⁴. นี่คือ กฎของสเตฟาน-โบลต์ซมันน์ และโดยผ่านมัน เราสามารถคำนวณความเปล่งปลั่งของร่างกายใดๆ ก็ได้เมื่อเรารู้อุณหภูมิและการแผ่รังสีของมัน

โดย MARCO Aurélio da Silva
ทีมโรงเรียนบราซิล

อุณหพลศาสตร์ - ฟิสิกส์ - โรงเรียนบราซิล

คุณต้องการอ้างอิงข้อความนี้ในโรงเรียนหรืองานวิชาการหรือไม่ ดู:

ซานโตส, มาร์โก เอาเรลิโอ ดา ซิลวา "การศึกษาเชิงปริมาณของการถ่ายเทความร้อน"; โรงเรียนบราซิล. มีจำหน่ายใน: https://brasilescola.uol.com.br/fisica/estudo-quantitativo-transferencia-calor.htm. เข้าถึงเมื่อ 27 มิถุนายน 2021.