Siltuma pārneses veidi: siltuma pārneses koeficients

2024 Autors: Howard Calhoun | [email protected]. Pēdējoreiz modificēts: 2023-12-17 10:35

Jebkuram materiālam ķermenim ir tāda īpašība kā siltums, kas var palielināties un samazināties. Siltums nav materiāla viela: kā daļa no vielas iekšējās enerģijas, tas rodas molekulu kustības un mijiedarbības rezultātā. Tā kā dažādu vielu siltums var atšķirties, notiek siltuma pārnešana no karstākas vielas uz vielu ar mazāku siltumu. Šo procesu sauc par siltuma pārnesi. Šajā rakstā aplūkosim galvenos siltuma pārneses veidus un to darbības mehānismus.

Siltuma pārneses noteikšana

Siltuma pārnese jeb temperatūras pārneses process var notikt gan vielas iekšienē, gan no vienas vielas uz otru. Tajā pašā laikā siltuma pārneses intensitāte lielā mērā ir atkarīga no vielas fizikālajām īpašībām, vielu temperatūras (ja siltuma pārnesē piedalās vairākas vielas) un fizikas likumiem. Siltuma pārnese ir process, kas vienmēr notiek vienpusēji. Galvenais siltuma pārneses princips ir tāds, ka karstākais ķermenis vienmēr izdala siltumu objektam ar zemāku temperatūru. Piemēram, gludinot drēbes, karstu gludeklidod siltumu biksēm, nevis otrādi. Siltuma pārnese ir no laika atkarīga parādība, kas raksturo neatgriezenisku siltuma sadalījumu telpā.

Siltuma pārneses mehānismi

Vielu termiskās mijiedarbības mehānismi var izpausties dažādos veidos. Dabā ir trīs siltuma pārneses veidi:

1. Siltumvadītspēja ir starpmolekulāras siltuma pārneses mehānisms no vienas ķermeņa daļas uz otru vai uz citu objektu. Īpašības pamatā ir aplūkojamo vielu temperatūras neviendabīgums.
2. Konvekcija - siltuma apmaiņa starp šķidrām vidēm (šķidrumu, gaisu).
3. Radiācijas darbība ir siltuma pārnešana no sakarsētiem un apsildāmiem ķermeņiem (avotiem) to enerģijas dēļ elektromagnētisko viļņu veidā ar nemainīgu spektru.

Sīkāk aplūkosim uzskaitītos siltuma pārneses veidus.

Siltumvadītspēja

Visbiežāk siltumvadītspēja tiek novērota cietās vielās. Ja kādu faktoru ietekmē vienā vielā parādās apgabali ar atšķirīgu temperatūru, tad siltumenerģija no karstākas vietas pāries uz aukstu. Dažos gadījumos šo parādību var novērot pat vizuāli. Piemēram, ja paņemam metāla stieni, teiksim, adatu, un uzkarsējam uz uguns, tad pēc kāda laika redzēsim, kā caur adatu tiek pārnesta siltumenerģija, veidojot spīdumu noteiktā vietā. Tajā pašā laikā vietā, kur temperatūra ir augstāka, spīdums ir spilgtāks un otrādi, kur t ir mazāks, tas ir tumšāks. Siltuma vadīšanu var novērot arī starp diviem ķermeņiem (karstās tējas krūzi un roku)

Siltuma plūsmas pārneses intensitāte ir atkarīga no daudziem faktoriem, kuru attiecību atklāja franču matemātiķis Furjē. Šie faktori galvenokārt ietver temperatūras gradientu (temperatūras starpības stieņa galos attiecība pret attālumu no viena gala līdz otram), korpusa šķērsgriezuma laukumu un siltumvadītspējas koeficientu (tas ir atšķirīgs visām vielām, bet visaugstākais novērojams metālos). Nozīmīgākais siltumvadītspējas koeficients ir vērojams varā un alumīnijā. Nav pārsteidzoši, ka šos divus metālus biežāk izmanto elektrisko vadu ražošanā. Ievērojot Furjē likumu, siltuma plūsmu var palielināt vai samazināt, mainot kādu no šiem parametriem.

Siltuma pārneses konvekcijas veidi

Konvekcijai, kas raksturīga galvenokārt gāzēm un šķidrumiem, ir divas sastāvdaļas: starpmolekulārā siltumvadītspēja un vides kustība (izplatīšanās). Konvekcijas darbības mehānisms notiek šādi: paaugstinoties šķidras vielas temperatūrai, tās molekulas sāk aktīvāk kustēties, un, ja nav telpisku ierobežojumu, vielas tilpums palielinās. Šī procesa sekas būs vielas blīvuma samazināšanās un tās kustība uz augšu. Spilgts konvekcijas piemērs ir radiatora uzsildītā gaisa kustība no akumulatora uz griestiem.

Atšķiriet brīvās un piespiedu konvekcijas siltuma pārneses veidus. Siltuma pārnese un masas kustība brīvajā veidā notiek vielas neviendabīguma dēļ, tas ir, karstais šķidrums paceļas virs aukstā dabiskābez ārēju spēku ietekmes (piemēram, telpas apsildīšana ar centrālo apkuri). Ar piespiedu konvekciju masas kustība notiek ārēju spēku ietekmē, piemēram, maisot tēju ar karoti.

Raidošā siltuma pārnese

Izstarojoša vai izstarojoša siltuma pārnese var notikt bez saskares ar citu priekšmetu vai vielu, tāpēc tā iespējama pat bezgaisa telpā (vakuumā). Radiācijas siltuma pārnese lielākā vai mazākā mērā ir raksturīga visiem ķermeņiem un izpaužas elektromagnētisko viļņu veidā ar nepārtrauktu spektru. Lielisks piemērs tam ir saule. Darbības mehānisms ir šāds: ķermenis nepārtraukti izstaro noteiktu siltuma daudzumu apkārtējā telpā. Kad šī enerģija skar citu objektu vai vielu, daļa no tās tiek absorbēta, otrā daļa iziet cauri, bet trešā daļa tiek atspoguļota vidē. Jebkurš objekts var gan izstarot siltumu, gan absorbēt, savukārt tumšās vielas spēj absorbēt vairāk siltuma nekā gaišās.

Kombinētie siltuma pārneses mehānismi

Dabā siltuma pārneses procesu veidi ir reti sastopami atsevišķi. Daudz biežāk viņus var redzēt kopā. Termodinamikā šīm kombinācijām pat ir nosaukumi, piemēram, siltumvadītspēja + konvekcija ir konvektīva siltuma pārnese, bet siltumvadītspēja + siltuma starojums tiek saukta par starojoši-vadošu siltuma pārnesi. Turklāt ir tādi kombinēti siltuma pārneses veidi kā:

• Siltuma izkliedēšana -siltumenerģijas kustība starp gāzi vai šķidrumu un cietu vielu.
• Siltuma pārnese ir t pārnešana no vienas vielas uz otru caur mehānisku šķērsli.
• Konvekcijas-starojuma siltuma pārnese veidojas, apvienojot konvekciju un termisko starojumu.

Siltuma pārneses veidi dabā (piemēri)

Siltuma pārnesei dabā ir milzīga loma, un tā neaprobežojas tikai ar zemeslodes uzsildīšanu saules staru ietekmē. Plašas konvekcijas straumes, piemēram, gaisa masu kustība, lielā mērā nosaka laika apstākļus visā mūsu planētā.

Zemes kodola siltumvadītspēja izraisa geizeru parādīšanos un vulkānisko iežu izvirdumu. Šie ir tikai daži piemēri siltuma pārnesei globālā mērogā. Kopā tie veido konvektīvās siltuma pārneses un radiācijas-vadošās siltuma pārneses veidus, kas nepieciešami dzīvības uzturēšanai uz mūsu planētas.

Siltuma pārneses izmantošana antropoloģiskajās aktivitātēs

Siltums ir svarīga gandrīz visu ražošanas procesu sastāvdaļa. Grūti pateikt, kādu siltuma apmaiņas veidu cilvēks tautsaimniecībā izmanto visvairāk. Droši vien visas trīs vienlaicīgi. Siltuma pārneses procesus izmanto metālu kausēšanai, tādējādi ražojot plašu preču klāstu, sākot no ikdienas priekšmetiem līdz kosmosa kuģiem.

Civilizācijai ārkārtīgi svarīgas ir siltuma vienības, kas spēj pārvērst siltumenerģiju lietderīgā jaudā. Starptos var saukt par benzīna, dīzeļa, kompresoru, turbīnu agregātiem. Savā darbā viņi izmanto dažādus siltuma pārneses veidus.