Kiedy energia cieplna jest przenoszona z jednego systemu do drugiego poprzez rozproszenie ciepła, zjawisko to nazywa się przenoszeniem ciepła.
Można to zrobić na trzy sposoby – przewodzenie, konwekcja i promieniowanie.
Przewodzenie a konwekcja a promieniowanie
ten różnica między przewodnictwem, konwekcją i promieniowaniem dotyczy sposobu, w jaki ciepło jest przekazywane ze strefy o wyższej energii kinetycznej do strefy o niższej energii kinetycznej. W przewodnictwie dzieje się to poprzez bezpośredni kontakt fizyczny między dwoma obiektami. Z drugiej strony konwekcja występuje, gdy ciepło jest przenoszone przez ruch cząsteczek. Promieniowanie nie wymaga fizycznego kontaktu między dwoma obiektami, tak jak inne metody.
Tabela porównawcza między przewodnictwem, konwekcją i promieniowaniem (w formie tabelarycznej)
| Parametr porównania | Przewodzenie | Konwekcja | Promieniowanie |
|---|---|---|---|
| Definicja | Proces wymiany ciepła pomiędzy obiektami poprzez bezpośredni kontakt fizyczny. | Proces wymiany ciepła przez medium płynne, takie jak ciecze lub gaz. | Proces przekazywania ciepła przez fale elektromagnetyczne. |
| metoda | Ciepło jest przenoszone w wyniku zderzenia cząsteczek, gdy ciała stałe stykają się ze sobą. | Ciepło jest przenoszone przez przepływ płynów. | Ciepło jest przenoszone przez promieniowanie emitowane przez ciała bez konieczności korzystania z medium. |
| Przyczyna | Ciepło przemieszcza się z obszaru o wysokiej temperaturze do obszaru o niskiej temperaturze. | Ciepło przemieszcza się z obszaru o niskiej gęstości do obszaru o wysokiej gęstości. | Energia emitowana przez ciała poprzez ruchy obrotowe i wibracyjne atomów i cząsteczek. |
| Średni | Podgrzane ciała stałe. | Substancja interweniująca, taka jak płyny. | Fale elektromagnetyczne. |
Co to jest przewodnictwo?
Proces przenoszenia ciepła poprzez bezpośredni kontakt między dwoma obiektami nazywa się przewodzeniem.
Gdy cząsteczki jednego obiektu pochłaniają energię cieplną, zaczynają się szybko poruszać, a przy tym wchodzą w kontakt z sąsiednimi obiektami i następuje transfer energii.
Aby doszło do przewodzenia, należy pamiętać o kilku czynnikach.
Pierwszym z nich jest gradient temperatury, który jest opisem kierunku przepływu ciepła i szybkości przenikania. Proces przewodzenia od źródła gorącego do źródła zimnego (lub źródła pozbawionego energii cieplnej) trwa do momentu osiągnięcia przez oba ciała stanu równowagi termicznej.
Innym ważnym czynnikiem jest wielkość zaangażowanych obiektów. Większe przedmioty wymagają do nagrzania więcej ciepła, ale jednocześnie szybciej tracą ciepło. Dzieje się tak, ponieważ im większa jest ich powierzchnia, tym bardziej stykają się z powietrzem. Należy również wziąć pod uwagę fizyczne właściwości obiektów.
Jeśli podczas gotowania użyjesz drewnianej łyżki, zauważysz, że łyżka się nie nagrzewa. Dzieje się tak, ponieważ drewno jest złym przewodnikiem.
Jeśli jednak użyjesz metalowej łyżki, ciepło zostanie do niej przeniesione bardzo szybko, ponieważ metal jest dobrym przewodnikiem. Słabe przewodniki nazywane są również izolatorami. Zapobiegają odpływowi energii ze źródła.
Na przykład niedźwiedzie polarne są w stanie przetrwać w regionach arktycznych, ponieważ ich futro służy jako izolator, który zatrzymuje ciepło wewnątrz ciała.
Co to jest konwekcja?
Kiedy masowy ruch płynu spowodowany oddalaniem się ogrzanego płynu od źródła ciepła, niesie ze sobą energię. Jest to również forma wymiany ciepła i nazywana jest konwekcją.
Ten proces dzieje się, ponieważ ciepło zmniejsza gęstość płynów, takich jak powietrze i woda. Utrata gęstości powoduje wzrost płynu, tworząc w ten sposób prądy konwekcyjne, które mogą przenosić energię.
Gdy podgrzane warstwy płynu unoszą się, zimniejsze warstwy, które nadal zachowują swoją gęstość, schodzą w kierunku źródła ciepła, aż się nagrzeją i zaczną się unosić.
Istnieją dwa rodzaje konwekcji – spontaniczna i wymuszona. W pierwszym przypadku konwekcja zachodzi w sposób naturalny dzięki wyporowi. Różnica temperatur powoduje różnicę gęstości.
Na przykład, gdy ciepło słoneczne ogrzewa ziemię, morze pochłania większość energii, ale nagrzewanie się zajmuje więcej czasu niż na lądzie.
Dlatego powietrze nad lądem traci gęstość szybciej, prowadząc do powstania obszaru niskiego ciśnienia nad obszarami przybrzeżnymi. Ale obszar nad morzem ma wyższe ciśnienie, co powoduje, że powietrze przemieszcza się z obszaru o wyższym ciśnieniu do obszaru o niższym ciśnieniu, tj. z morza na ląd.
Dlatego bryza nad morzem jest na ogół silniejsza. Konwekcja wymuszona jest wywoływana przez zewnętrzne źródło, takie jak wentylator lub gejzer. Jest to związane z prawem chłodzenia Newtona, którego równanie jest następujące:
P = dQ/dt = hA(T-T0)
Tutaj P = dQ/dt jest szybkością przekazywania ciepła. h jest konwekcyjnym współczynnikiem przenikania ciepła. A to odsłonięta powierzchnia materiału.
T odnosi się do temperatury obiektu w płynie, a T0 odnosi się do temperatury płynu poddanego procesowi konwekcji.
Co to jest promieniowanie?
W przeciwieństwie do przewodzenia i konwekcji, które wymagają rzeczywistego kontaktu fizycznego między dwoma ciałami, promieniowanie jest przenoszeniem ciepła, które zachodzi nawet wtedy, gdy ciała nie stykają się lub są rozdzielone w przestrzeni.
Wszystko we wszechświecie składa się z atomów, które razem tworzą molekuły. Rotacja i wibracje atomów i cząsteczek zapewniają, że wszystkie substancje nadal emitują energię poprzez promieniowanie elektromagnetyczne.
Elektrony o wysokiej energii na wysokich poziomach atomowych schodzą do poziomów, w których energia jest niższa. Energia tracona po drodze jest emitowana jako promieniowanie elektromagnetyczne.
Kiedy energia jest pochłaniana przez atom, jego elektrony wspinają się na wyższe poziomy energetyczne. Dlatego też, gdy szybkość, z jaką energia jest pochłaniana, jest równoważona szybkością, z jaką jest ona emitowana, temperatura substancji nie zmieni się.
Jeśli ta pierwsza jest większa od drugiej, temperatura wzrośnie, a jeśli jest niższa, to temperatura również spadnie.
Typowym przykładem wymiany ciepła przez promieniowanie jest słońce. Nie wchodzi w kontakt z żadną inną planetą ani nie ma fizycznego medium do wymiany ciepła.
Jednak jesteśmy w stanie odczuć jego ciepło dzięki promieniowaniu elektromagnetycznemu, które emituje, dzięki czemu jego promienie docierają do Ziemi.
Główne różnice między przewodnictwem, konwekcją i promieniowaniem
Wniosek
Przewodzenie, konwekcja i promieniowanie są ważnymi pojęciami w badaniach termodynamiki.
Mówiąc najprościej, ciepło przemieszczające się z gorącego obiektu lub gorącego obszaru do zimnego obiektu w tym obszarze to przewodzenie.
Ciepło przekazywane jest poprzez ruch prądów płynów w postaci konwekcji, a ciepło przekazywane przez fale elektromagnetyczne bez żadnego medium jest promieniowaniem.
- https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/0142727X94000144
- https://asmedigitalcollection.asme.org/heattransfer/article-abstract/85/4/318/414710
