การถ่ายเทความร้อน: กฎหมายรูปแบบการส่งผ่านตัวอย่าง - กายภาพ - 2026

มีการถ่ายเทความร้อนเมื่อพลังงานจากร่างกายหนึ่งไปยังอีกร่างกายหนึ่งเนื่องจากความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างทั้งสอง กระบวนการถ่ายเทความร้อนจะหยุดลงทันทีที่อุณหภูมิของร่างกายสัมผัสเท่ากันหรือเมื่อการสัมผัสระหว่างกันถูกลบออก

ปริมาณพลังงานที่ถ่ายโอนจากร่างกายหนึ่งไปยังอีกร่างกายในช่วงเวลาหนึ่งเรียกว่าความร้อนที่ถ่ายเท ร่างกายหนึ่งสามารถให้ความร้อนแก่อีกคนหนึ่งหรือสามารถดูดซับได้ แต่ความร้อนจะออกจากร่างกายที่มีอุณหภูมิสูงสุดไปยังร่างกายที่มีอุณหภูมิต่ำที่สุดเสมอ

รูปที่ 1. ในกองไฟมีกลไกการถ่ายเทความร้อนสามประการคือการนำการพาความร้อนและการแผ่รังสี ที่มา: Pixabay

หน่วยของความร้อนเหมือนกับพลังงานและในระบบการวัดสากล (SI) คือจูล (J) หน่วยความร้อนอื่น ๆ ที่ใช้บ่อย ได้แก่ แคลอรี่และบีทียู

สำหรับกฎทางคณิตศาสตร์ที่ควบคุมการถ่ายเทความร้อนนั้นขึ้นอยู่กับกลไกที่เกี่ยวข้องกับการแลกเปลี่ยน

เมื่อเกิดความร้อนจากร่างกายหนึ่งไปยังอีกร่างกายหนึ่งอัตราที่แลกเปลี่ยนความร้อนจะแปรผันตามความแตกต่างของอุณหภูมิ สิ่งนี้เรียกว่ากฎการนำความร้อนของฟูริเยร์ซึ่งนำไปสู่กฎการระบายความร้อนของนิวตัน

รูปแบบ / กลไกของการส่งผ่านความร้อน

เป็นวิธีที่สามารถแลกเปลี่ยนความร้อนระหว่างร่างกายทั้งสองได้ รู้จักกลไกสามประการ:

- ขับรถ

- การแปลง

- การฉายรังสี

ในหม้อเช่นเดียวกับที่แสดงในรูปด้านบนมีกลไกการถ่ายเทความร้อนสามแบบนี้:

- โลหะในหม้อได้รับความร้อนเป็นหลักโดยการนำ

- น้ำและอากาศถูกทำให้ร้อนและเพิ่มขึ้นโดยการพาความร้อน

- คนที่อยู่ใกล้หม้อจะได้รับความร้อนจากรังสีที่ปล่อยออกมา

การขับรถ

การนำความร้อนส่วนใหญ่เกิดขึ้นในของแข็งและโดยเฉพาะในโลหะ

ตัวอย่างเช่นเตาในห้องครัวจะส่งความร้อนไปยังอาหารภายในหม้อผ่านกลไกการนำผ่านโลหะของก้นและผนังโลหะของภาชนะ ในการนำความร้อนไม่มีการขนส่งวัสดุมีเพียงพลังงานเท่านั้น

พา

กลไกการพาความร้อนเป็นเรื่องปกติของของเหลวและก๊าซ สิ่งเหล่านี้มักจะมีความหนาแน่นน้อยกว่าที่อุณหภูมิสูงกว่าด้วยเหตุนี้จึงมีการเคลื่อนย้ายความร้อนจากส่วนของเหลวที่ร้อนขึ้นไปยังบริเวณที่สูงขึ้นโดยมีส่วนของของเหลวที่เย็นกว่า ในกลไกการพาความร้อนมีการขนส่งวัสดุ

การแผ่รังสี

ในส่วนของกลไกการแผ่รังสีทำให้เกิดการแลกเปลี่ยนความร้อนระหว่างสองร่างแม้ว่าจะไม่ได้สัมผัสกันก็ตาม ตัวอย่างทันทีคือดวงอาทิตย์ซึ่งทำให้โลกร้อนขึ้นผ่านช่องว่างระหว่างพวกเขา

ร่างกายทั้งหมดปล่อยและดูดซับรังสีแม่เหล็กไฟฟ้า หากคุณมีร่างกายสองตัวที่อุณหภูมิต่างกันแม้จะอยู่ในสุญญากาศหลังจากนั้นไม่นานพวกมันก็จะถึงอุณหภูมิเดียวกันเนื่องจากการแลกเปลี่ยนความร้อนด้วยรังสีแม่เหล็กไฟฟ้า

อัตราการถ่ายเทความร้อน

ในระบบอุณหพลศาสตร์สมดุลปริมาณความร้อนทั้งหมดที่แลกเปลี่ยนกับสิ่งแวดล้อมมีความสำคัญดังนั้นระบบจึงผ่านจากสภาวะสมดุลหนึ่งไปยังอีกสถานะหนึ่ง

ในทางกลับกันในการถ่ายเทความร้อนความสนใจจะมุ่งเน้นไปที่ปรากฏการณ์ชั่วคราวเมื่อระบบยังไม่ถึงสมดุลทางความร้อน สิ่งสำคัญคือต้องสังเกตว่าปริมาณความร้อนมีการแลกเปลี่ยนในช่วงเวลาหนึ่งนั่นคือมีความเร็วในการถ่ายเทความร้อน

ตัวอย่าง

- ตัวอย่างการนำความร้อน

ในการนำความร้อนพลังงานความร้อนจะถูกส่งผ่านการชนกันระหว่างอะตอมและโมเลกุลของวัสดุไม่ว่าจะเป็นของแข็งของเหลวหรือก๊าซ

ของแข็งเป็นตัวนำความร้อนได้ดีกว่าก๊าซและของเหลว ในโลหะมีอิเล็กตรอนอิสระที่สามารถเคลื่อนที่ผ่านโลหะได้

เนื่องจากอิเล็กตรอนอิสระมีความคล่องตัวสูงจึงสามารถส่งพลังงานจลน์ผ่านการชนได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้นซึ่งเป็นสาเหตุที่โลหะมีการนำความร้อนสูง

จากมุมมองแบบมหภาคการนำความร้อนจะถูกวัดเป็นปริมาณความร้อนที่ถ่ายเทต่อหน่วยเวลาหรือกระแสแคลอรี่ H:

รูปที่ 2. การนำความร้อนผ่านแท่ง จัดทำโดย Fanny Zapata

กระแสแคลอรี่ H เป็นสัดส่วนกับส่วนตัดขวางของพื้นที่ A และการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิต่อหน่วยของระยะทางตามยาว

สมการนี้ถูกนำไปใช้ในการคำนวณแคลอรี่ H ปัจจุบันของบาร์เช่นเดียวกับในรูปที่ 2 ซึ่งอยู่ระหว่างสองอ่างเก็บน้ำอุณหภูมิที₁และ T ₂ตามลำดับที่ T ₁ > T 2

การนำความร้อนของวัสดุ

ด้านล่างนี้เป็นรายการค่าการนำความร้อนของวัสดุบางชนิดในหน่วยวัตต์ต่อเมตรต่อเคลวิน: W / (m. K)

อลูมิเนียม -------- 205

ทองแดง --------- 385

เงิน ---------- 400

เหล็ก ---------– 50

ไม้ก๊อกหรือไฟเบอร์กลาส - 0.04

คอนกรีตหรือแก้ว ----- 0.8

ไม้ ----- 0.05 ถึง 0.015

อากาศ --------– 0.024

- ตัวอย่างของการพาความร้อน

ในการพาความร้อนพลังงานจะถูกถ่ายเทเนื่องจากการเคลื่อนที่ของของเหลวซึ่งในอุณหภูมิที่ต่างกันมีความหนาแน่นต่างกัน ตัวอย่างเช่นเมื่อต้มน้ำในหม้อแล้วน้ำที่อยู่ใกล้ก้นหม้อจะเพิ่มอุณหภูมิดังนั้นมันจึงขยายตัว

การขยายตัวนี้ทำให้น้ำร้อนสูงขึ้นในขณะที่น้ำเย็นลงไปครอบครองพื้นที่ที่เหลือจากน้ำร้อนที่เพิ่มขึ้น ผลที่ได้คือการหมุนเวียนที่ดำเนินต่อไปจนกว่าอุณหภูมิของทุกระดับจะเท่ากัน

การพาความร้อนเป็นตัวกำหนดการเคลื่อนที่ของมวลอากาศขนาดใหญ่ในชั้นบรรยากาศของโลกและยังกำหนดการหมุนเวียนของกระแสน้ำในทะเล

- ตัวอย่างรังสีความร้อน

ในกลไกของการส่งผ่านความร้อนโดยการนำและโดยการพาความร้อนจำเป็นต้องมีวัสดุเพื่อส่งผ่านความร้อน ในทางตรงกันข้ามในกลไกการแผ่รังสีความร้อนสามารถผ่านจากร่างกายหนึ่งไปยังอีกร่างกายหนึ่งโดยผ่านสุญญากาศ

นี่คือกลไกที่ดวงอาทิตย์ซึ่งมีอุณหภูมิสูงกว่าโลกส่งพลังงานมายังโลกของเราโดยตรงผ่านสุญญากาศของอวกาศ รังสีมาถึงเราผ่านคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า

วัสดุทั้งหมดสามารถเปล่งและดูดซับรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าได้ ความถี่สูงสุดที่ปล่อยออกมาหรือดูดซับขึ้นอยู่กับอุณหภูมิของวัสดุและความถี่นี้จะเพิ่มขึ้นตามอุณหภูมิ

ความยาวคลื่นที่โดดเด่นในสเปกตรัมการแผ่รังสีหรือการดูดซับของร่างกายสีดำเป็นไปตามกฎของ Wien ซึ่งระบุว่าความยาวคลื่นที่โดดเด่นเป็นสัดส่วนกับอุณหภูมิผกผันของร่างกาย

ในทางกลับกันกำลังไฟฟ้า (หน่วยเป็นวัตต์) ที่ร่างกายปล่อยหรือดูดซับพลังงานความร้อนโดยการแผ่รังสีแม่เหล็กไฟฟ้าเป็นสัดส่วนกับกำลังที่สี่ของอุณหภูมิสัมบูรณ์ สิ่งนี้เรียกว่ากฎของ Stefan:

P = εAσT ⁴

ในσแสดงออกดังกล่าวข้างต้นเป็นค่าคงที่ของสเตฟานและค่าที่เป็น 5.67 x 10-8 W / m ² K 4 A คือพื้นที่ผิวของร่างกายและεคือการแผ่รังสีของวัสดุซึ่งเป็นค่าคงที่ไร้มิติซึ่งมีค่าอยู่ระหว่าง 0 ถึง 1 และขึ้นอยู่กับวัสดุ

การออกกำลังกายได้รับการแก้ไข

พิจารณาแท่งในรูปที่ 2 สมมติว่าแท่งยาว 5 ซม. รัศมี 1 ซม. และทำจากทองแดง

บาร์ถูกวางไว้ระหว่างผนังสองด้านเพื่อให้อุณหภูมิคงที่ ผนังด้านแรกมีอุณหภูมิ T1 = 100ºCส่วนอีกด้านอยู่ที่ T2 = 20ºC กำหนด:

ก. - ค่าของกระแสความร้อน H

ข - อุณหภูมิของแท่งทองแดงที่ 2 ซม. ที่ 3 ซม. และที่ 4 ซม. จากผนังอุณหภูมิ T1

วิธีแก้ปัญหา

เนื่องจากแท่งทองแดงวางอยู่ระหว่างผนังทั้งสองซึ่งผนังรักษาอุณหภูมิเท่ากันตลอดเวลาจึงสามารถกล่าวได้ว่าอยู่ในสภาพคงที่ กล่าวอีกนัยหนึ่งกระแสความร้อน H มีค่าเท่ากันสำหรับช่วงเวลาใด ๆ

ในการคำนวณกระแสนี้เราใช้สูตรที่เกี่ยวข้องกับ H ปัจจุบันกับความแตกต่างของอุณหภูมิและความยาวของแท่ง

พื้นที่หน้าตัดคือ:

A = πR ² = 3.14 * (1 × 10 ^-2ม.) ² = 3.14 x 10 ^-4ม. ²

ความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างปลายแท่งคือ

ΔT = (100ºC - 20ºC) = (373K - 293K) = 80K

Δx = 5 ซม. = 5 x ^10-2ม

H = 385 W / (m K) * 3.14 x 10 ^-4ม. ² * (80K / 5 x 10 ^-2เมตร) = 193.4 W

กระแสนี้จะเหมือนกันที่จุดใดก็ได้บนแถบและในขณะใดก็ตามเนื่องจากถึงสถานะคงที่แล้ว

แนวทางแก้ไข b

ในส่วนนี้เราจะขอให้คำนวณอุณหภูมิ Tp ที่จุด P อยู่ที่ระยะทาง Xp จากผนัง T 1

นิพจน์ที่ให้กระแสแคลอรี่ H ที่จุด P คือ:

จากนิพจน์นี้ Tp สามารถคำนวณได้โดย:

ลองคำนวณอุณหภูมิ Tp ที่ตำแหน่ง 2 ซม. 3 ซม. และ 4 ซม. ตามลำดับแทนค่าตัวเลข:

• Tp = 340.6K = 67.6 ° C; 2 ซม. จาก T1
• Tp = 324.4K = 51.4 ° C; 3 ซม. จาก T1
• Tp = 308.2K = 35.2 ° C; 4 ซม. จาก T1

อ้างอิง

1. Figueroa, D. 2005. Series: Physics for Sciences and Engineering. เล่มที่ 5. ของไหลและอุณหพลศาสตร์. แก้ไขโดย Douglas Figueroa (USB)
2. Kirkpatrick, L. 2007. ฟิสิกส์: มองโลก. ฉบับย่อที่ 6 การเรียนรู้ Cengage
3. Lay, J. 2004. ฟิสิกส์ทั่วไปสำหรับวิศวกร. USACH.
4. Mott, R. 2549. กลศาสตร์ของไหล. อันดับ 4 ฉบับ การศึกษาของเพียร์สัน.
5. Strangeways, I. 2003. การวัดสภาพแวดล้อมทางธรรมชาติ. ครั้งที่ 2 ฉบับ สำนักพิมพ์มหาวิทยาลัยเคมบริดจ์
6. วิกิพีเดีย การนำความร้อน สืบค้นจาก: es.wikipedia.com