ลักษณะการพาความร้อนตัวอย่างการใช้งาน - กายภาพ - 2025

การพาความร้อนเป็นหนึ่งในสามกลไกที่ความร้อนจะถูกถ่ายเทจากโซนหนึ่งไปยังอีกโซนที่อุ่นกว่า เกิดขึ้นเนื่องจากการเคลื่อนที่ของมวลของของเหลวซึ่งอาจเป็นของเหลวหรือก๊าซ ไม่ว่าในกรณีใด ๆ จำเป็นต้องใช้สื่อวัสดุเสมอเพื่อให้กลไกนี้เกิดขึ้น

ยิ่งการเคลื่อนที่ของของเหลวที่เป็นปัญหาเร็วเท่าไหร่การถ่ายเทพลังงานความร้อนระหว่างโซนที่มีอุณหภูมิต่างกันก็จะเร็วขึ้นเท่านั้น สิ่งนี้เกิดขึ้นอย่างต่อเนื่องกับมวลอากาศในชั้นบรรยากาศ: การลอยตัวช่วยให้มั่นใจได้ว่าวัตถุที่อุ่นขึ้นและมีความหนาแน่นน้อยจะเพิ่มขึ้นในขณะที่อากาศที่เย็นกว่าและหนาแน่นลงมา

รูปที่ 1 ห้องเย็นลงโดยการเปิดประตูเนื่องจากอากาศร้อน (ลูกศรสีแดง) และความหนาแน่นน้อยลอยขึ้นและหนีออกจากห้อง ที่มา: Wikimedia Commons Genieclimatique / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)

ตัวอย่างนี้คือห้องปิดในภาพซึ่งจะเย็นลงทันทีที่เปิดประตูหรือหน้าต่างเนื่องจากอากาศร้อนจากภายในเล็ดลอดออกมาแม้จะทะลุผ่านรอยแตกทำให้อากาศบริสุทธิ์จากภายนอกเข้ามามากขึ้น ลง.

ประเภทของการพาความร้อน

การพาความร้อนตามธรรมชาติและบังคับ

รูปที่ 2. ตัวอย่างการพาความร้อนแบบบังคับและการพาความร้อนตามธรรมชาติ ที่มา: Cengel, Y. Thermodynamics

การพาความร้อนอาจเป็นไปตามธรรมชาติหรือถูกบังคับ ในกรณีแรกของเหลวจะเคลื่อนที่ด้วยตัวเองเช่นเดียวกับเมื่อเปิดประตูเข้าห้องในขณะที่ในครั้งที่สองจะถูกบังคับโดยพัดลมหรือปั๊มเป็นต้น

การแพร่กระจายและการโฆษณา

นอกจากนี้ยังสามารถมีได้สองรูปแบบ: การแพร่กระจายและการโฆษณา ในการแพร่กระจายโมเลกุลของของเหลวจะเคลื่อนที่แบบสุ่มมากขึ้นหรือน้อยลงและการส่งผ่านความร้อนจะช้า

ในทางตรงกันข้ามการเคลื่อนที่จะเคลื่อนมวลของไหลจำนวนมากซึ่งสามารถทำได้โดยการบังคับให้พาความร้อนด้วยพัดลมเป็นต้น แต่ข้อดีของ advection คือเร็วกว่าการแพร่กระจายมาก

¿

แบบจำลองทางคณิตศาสตร์อย่างง่ายของการถ่ายเทความร้อนแบบหมุนเวียนคือกฎการระบายความร้อนของนิวตัน พิจารณาพื้นผิวที่ร้อนของพื้นที่ A ล้อมรอบด้วยอากาศที่เย็นกว่าเพื่อให้อุณหภูมิแตกต่างกันเล็กน้อย

ให้เราเรียกความร้อนที่ถ่ายเท Q และเวลา t อัตราที่ถ่ายเทความร้อนคือ dQ / dt หรือมาจากฟังก์ชัน Q (t) ตามเวลา

เนื่องจากความร้อนเป็นพลังงานความร้อนหน่วยของมันในระบบสากลจึงเป็นจูล (J) ดังนั้นอัตราการถ่ายเทจึงมีหน่วยเป็นจูล / วินาทีซึ่งเป็นวัตต์หรือวัตต์ (W)

อัตรานี้เป็นสัดส่วนโดยตรงกับความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างวัตถุร้อนและตัวกลางแสดงเป็นΔTและพื้นที่ผิว A ของวัตถุด้วย:

ค่าคงที่ของสัดส่วนเรียกว่า h ซึ่งเป็นค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนโดยการพาความร้อนและถูกกำหนดโดยการทดลอง หน่วยในระบบนานาชาติ (SI) เป็น W / m 2 K แต่เป็นเรื่องปกติที่จะพบในรูปขององศาเซลเซียสหรือองศาเซลเซียส

สิ่งสำคัญคือต้องสังเกตว่าค่าสัมประสิทธิ์นี้ไม่ใช่สมบัติของของไหลเนื่องจากขึ้นอยู่กับตัวแปรหลายอย่างเช่นรูปทรงเรขาคณิตของพื้นผิวความเร็วของของไหลและลักษณะอื่น ๆ

เมื่อรวมทั้งหมดข้างต้นกฎการระบายความร้อนของนิวตันทางคณิตศาสตร์จะใช้รูปแบบนี้:

การประยุกต์กฎการระบายความร้อนของนิวตัน

มีคนยืนอยู่กลางห้องที่ 20 ° C ซึ่งมีสายลมพัดผ่านเล็กน้อย อัตราความร้อนที่บุคคลส่งไปยังสิ่งแวดล้อมโดยการพาความร้อนคืออะไร? สมมติว่าพื้นที่ผิวสัมผัสคือ 1.6 ม. ²และอุณหภูมิผิว29ºC

ความเป็นจริง : ค่าสัมประสิทธิ์การพาความร้อนในกรณีนี้คือ 6 W / m 2 องศาเซลเซียส

สารละลาย

บุคคลนั้นสามารถถ่ายเทความร้อนไปยังอากาศรอบตัวได้เนื่องจากมีการเคลื่อนไหวเมื่อมีลมพัด ในการหาอัตราการถ่ายโอน dQ / dt เพียงแค่ใส่ค่าลงในสมการของนิวตันเพื่อระบายความร้อน:

dQ / dt = 6 W / ม² . ºC x 1.6 ม. ² x (29 ºC - 20 ° C) = 86.4 W.

ตัวอย่างของการพาความร้อน

อุ่นมือของคุณเหนือแคมป์ไฟ

เป็นเรื่องปกติที่จะทำให้มืออุ่นขึ้นโดยการนำเข้าใกล้แคมป์ไฟหรือเครื่องปิ้งขนมปังร้อนเนื่องจากอากาศรอบ ๆ แหล่งความร้อนจะร้อนขึ้นและขยายตัวสูงขึ้นเนื่องจากมีความหนาแน่นน้อยกว่า ในขณะที่หมุนเวียนอากาศร้อนจะโอบล้อมและทำให้มือของคุณอุ่นขึ้น

รูปที่ 3 วิธีหนึ่งในการทำให้มือของคุณอุ่นขึ้นคือการใช้กระแสไฟที่สร้างขึ้นในอากาศ ที่มา: pxfuel.

การไหลของอากาศบนชายฝั่ง

บนชายฝั่งทะเลเย็นกว่าแผ่นดินดังนั้นอากาศเหนือพื้นดินจึงร้อนขึ้นและสูงขึ้นในขณะที่อากาศที่เย็นกว่ามาถึงและตกตะกอนในช่องว่างที่เหลืออยู่เมื่อขึ้นไป

สิ่งนี้เรียกว่าเซลล์พาความร้อนและเป็นสาเหตุที่ทำให้รู้สึกเย็นขึ้นเมื่อมองออกไปในทะเลและสายลมพัดกระทบใบหน้าของคุณในวันที่อากาศร้อน ในเวลากลางคืนเกิดขึ้นในทางตรงกันข้ามลมเย็นมาจากแผ่นดิน

วัฏจักรของน้ำ

การพาความร้อนตามธรรมชาติเกิดขึ้นในอากาศของชายฝั่งมหาสมุทรผ่านวัฏจักรอุทกวิทยาซึ่งน้ำจะถูกทำให้ร้อนและระเหยเนื่องจากรังสีจากดวงอาทิตย์ ด้วยเหตุนี้ไอน้ำจึงก่อตัวขึ้นเย็นตัวและรวมตัวเป็นเมฆมวลซึ่งเพิ่มขึ้นและสูงขึ้นโดยการพาความร้อน

การเพิ่มขนาดของหยดน้ำมีช่วงเวลาที่น้ำตกตะกอนในรูปของฝนของแข็งหรือของเหลวขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ

ต้มน้ำในภาชนะ

เมื่อวางน้ำไว้ในกาต้มน้ำหรือกระทะชั้นที่อยู่ใกล้กับก้นมากที่สุดจะถูกทำให้ร้อนก่อนเนื่องจากเปลวไฟหรือความร้อนจากเตาอยู่ใกล้ที่สุด จากนั้นน้ำจะขยายตัวและความหนาแน่นลดลงดังนั้นจึงเพิ่มขึ้นและน้ำที่เย็นกว่าจะเข้ามาแทนที่ที่ด้านล่างของภาชนะ

รูปที่ 4. การทำให้น้ำร้อนโดยการพาความร้อน ที่มา: wikimedia Commons. ผู้ใช้: Oni Lukos / CC BY-SA (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/)

ด้วยวิธีนี้ชั้นทั้งหมดจะไหลเวียนอย่างรวดเร็วและน้ำทั้งหมดจะร้อนขึ้น นี่เป็นตัวอย่างที่ดีของการโฆษณา

การสร้างลม

การพาความร้อนในมวลอากาศพร้อมกับการเคลื่อนที่แบบหมุนของโลกทำให้เกิดลมเมื่ออากาศเย็นเคลื่อนที่และไหลเวียนใต้อากาศร้อนทำให้เกิดกระแสต่างๆเรียกว่ากระแสพาความร้อน

กระแสน้ำในมหาสมุทร

น้ำมีพฤติกรรมคล้ายกับอากาศในชั้นบรรยากาศ น้ำอุ่นเกือบตลอดเวลาใกล้ผิวน้ำในขณะที่น้ำเย็นกว่าจะลึกกว่า

เอฟเฟกต์ไดนาโม

มันเกิดขึ้นในแกนหลอมเหลวภายในดาวเคราะห์ซึ่งรวมเข้ากับการเคลื่อนที่แบบหมุนของโลกทำให้เกิดกระแสไฟฟ้าที่ก่อให้เกิดสนามแม่เหล็กของโลก

การส่งพลังงานภายในดวงดาว

ดาวอย่างดวงอาทิตย์เป็นก๊าซทรงกลมขนาดใหญ่ การพาความร้อนเป็นกลไกการขนส่งพลังงานที่มีประสิทธิภาพเนื่องจากโมเลกุลของก๊าซมีอิสระเพียงพอที่จะเคลื่อนที่ไปมาระหว่างพื้นที่ภายในของดวงดาว

การประยุกต์ใช้การพาความร้อน

เครื่องปรับอากาศ

เครื่องปรับอากาศวางอยู่ใกล้กับเพดานห้องเพื่อให้อากาศเย็นซึ่งมีความหนาแน่นสูงลงมาและเย็นลงใกล้พื้นอย่างรวดเร็ว

เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน

เป็นอุปกรณ์ที่ช่วยในการส่งผ่านความร้อนจากของเหลวหนึ่งไปยังอีกของเหลวหนึ่งและเป็นหลักการทำงานของเครื่องปรับอากาศและกลไกการทำความเย็นของเครื่องยนต์รถยนต์เป็นต้น

ฉนวนกันความร้อนในอาคาร

ทำโดยการรวมแผ่นฉนวนและเพิ่มฟองอากาศภายใน

อาคารระบายความร้อน

เรียกอีกอย่างว่าหอทำความเย็นทำหน้าที่กำจัดความร้อนที่เกิดจากโรงไฟฟ้านิวเคลียร์โรงกลั่นน้ำมันและโรงงานอุตสาหกรรมอื่น ๆ สู่อากาศแทนที่จะปล่อยลงสู่พื้นดินหรือในน้ำ

อ้างอิง

1. Giambattista, A. 2010. ฟิสิกส์. ครั้งที่ 2 เอ็ด McGraw Hill
2. Gómez, E. การนำความร้อนและการแผ่รังสี สืบค้นจาก: eltamiz.com.
3. Natahenao การใช้ความร้อน สืบค้นจาก: natahenao.wordpress.com.
4. Serway, R. ฟิสิกส์สำหรับวิทยาศาสตร์และวิศวกรรม เล่ม 1. 7th. Ed. Cengage Learning.
5. วิกิพีเดีย พา สืบค้นจาก: en.wikipedia.org.
6. วิกิพีเดีย การพาความร้อน สืบค้นจาก: fr.wikipedia.org.