Пренос топлоте

У природи се стално долази до преноса топлоте са једног места на друго. Две основне физичке величине које одређују размену топлоте између два тела су: количина топлоте и температура. Док количина топлоте коју тело поседује представља прост збир кинетичке енергије свих молекула тела, температура је одраз интензивности њиховог кретања. Два тела у физичком контакту размењују енергију (топлоту) све док се интензивност кретања њихових молекула (температура) не изједначи. Кажемо да је температурна разлика два тела погонска сила за размену топлоте међу њима. Топлота спонтано – природним путем, увек прелази с тела више на тело ниже температуре. У неким случајевима се тежи што бољем преношењу топлоте, као на пример између ложишта и котла, централног грејања, хладњака на моторима итд. У другим случајевима настоји се да се спречи прелаз топлоте као код зидова зграда, хладњака, термос боца, калориметара итд.

Дифузија топлоте
Радијација топлоте
Линеарни проток топлоте

Као и код других видова енергије, при размени топлоте између неког тела и околине важи познати топлотни биланс:

Qdovedeno − Qodvedeno = Qakumulirano

Уколико је доведена количина топлоте већа од одведене, акумулација је позитивна – тело се загрева, а ако је ситуација обрнута, акумулација је негативна – тело се хлади.

Термално зрачење се преноси у вакууму као и било ком другом транспарентном медијуму (чврстом, течном или гасовитом). То је пренос енергије помоћу фотона у електромагнетним таласима регулисано истим законима.[1]

ПрегледУреди

 
Интензитет дуготаласног топлотног зрачења Земље, из облака, атмосфере и површине.

Топлота се у физици дефинише као пренос топлотне енергије преко добро дефинисане границе око термодинамичког система. Термодинамичка слободна енергија је количина рада коју термодинамички систем може обавити. Енталпија је термодинамички потенцијал, означен словом „H”, који је збир унутрашње енергије система (U) и продукта притиска (P) и запремине (V). Џул је јединица количине енергије, рада или количине топлоте.

Пренос топлоте је процесна функција (или функција стазе), за разлику од функција стања; према томе, количина топлоте пренесене у термодинамичком процесу којом се мења стање система, зависи од тога како се тај процес одвија, а не само од нето разлика између почетног и завршног стања процеса.

Термодинамички и механички пренос топлоте израчунава се помоћу коефицијента преноса топлоте, пропорционалношћу између топлотног флукса и термодинамичке покретачке силе за проток топлоте. Топлотни флукс је квантитативни, векторски приказ протока топлоте кроз површину.[2]

У инжењерском контексту, термин топлота се узима као синоним за топлотну енергију. Ова употреба има своје порекло у историјској интерпретацији топлоте као флуида (caloric) која се може пренети услед различитих узрока,[3] а то је такође уобичајено у лаичком језику и свакодневном животу.

Транспортне једначине за топлотну енергију (Фуријеови закони), механички моменат (Њутнов закон о флуидима) и пренос масе (Фикови закони дифузије) су слични,[4][5] и аналогије међу ова три транспортна процеса развијене су тако да олакшају предвиђање конверзије из било којег у друге.[5]

Топлотно инжењерство се бави производњом, употребом, конверзијом и разменом преноса топлоте. Као таквав, пренос топлоте је укључен у скоро сваки сектор економије.[6] Пренос топлоте класификује се у различите механизме, као што су топлотна кондукција, топлотна конвекција, топлотна радијација, и пренос енергије променом фаза.

Основни механизми преноса топлотеУреди

Сложен механизам преношења топлоте је пролаз топлоте. Означава размену топлоте између два флуида раздвојена чврстим зидом. Састоји се од кондукције и конвекције.

Провођење (кондукција)Уреди

Провођење топлоте је процес у коме се топлота преноси директно кроз материјал при чему не долази до премештања саставних делова материјала.

У чврстим телима су молекули распоређени по чворовима кристалне решетке на међусобном растојању које је одређено јачином међумолекулских сила, односно природом супстанце. Они осцилују око својих равнотежних положаја са амплитудом и учестаношћу пропорционалним температури тела. Ако се молекулима у једном подручју тела повиси кинетичка енергија осциловања (температура), њихово интензивније осциловање ће се механички пренети на суседне молекуле, са ових на следеће итд, доћи ће до преноса кинетичке енергије молекула кроз тело – протока топлоте при чему молекули задржавају своја места у кристалној решетки. Да би до преноса енергије дошло, очигледно је да молекули морају ступати у међусобне физичке контакте. Брзина преноса топлоте кроз тело зависи од величине и масе појединих молекула, као и сила које међу њима владају, карактеристична је за свако тело. Код флуида су међумолекулске силе много слабије него у чврстом телу, тако да се молекули крећу хаотично у свим правцима, међусобно се сударајући и измењујући кинетичку енергију. При условима изједначене температуре, молекули флуида се налазе у стању динамичке енергетске равнотеже, али када се у једном подручју повиси температура, равнотежа се ремети. Молекули с вишком кинетичке енергије се сударају са другим, споријим молекулима и предају им један део те енергије, па се тако, у макро-смислу, кроз флуид преноси топлота. Треба запазити да се овде ради о мирном флуиду код којег у уобичајеном смислу није могуће приметити било какво кретање. Оно се одвија искључиво на молекулском нивоу. Као код чврстих тела, и овде брзина преноса топлоте зависи од брзине и масе молекула, што је условљено првенствено природом флуида.

Ако се било које парче неког материјала загрева на једном месту онда ће се мање или више загревати и остала места тог материјала (нпр ако се један крај металног штапа стави у пламен, а други држи у руци осетиће се да се онај део који се држи у руци све више греје иако није у контакту са пламеном). Уочено је да су метали најбољи проводници топлоте. У металима се пренос топлоте може вршити и слободним електронима.

Прелажење (конвекција)Уреди

Конвекција је врло чест облик преношења топлоте. Док се код кондукције топлоте у непокретном флуиду топлота преносила са једног на други молекул, а сам процес био ограничен учесталошћу њихових међусобних контаката, пренос топлоте конвекцијом нема та ограничења.

Када се на површину хладне воде пажљиво унесе одређена количина топле воде, она ће се под дејством јаке мешалице веома брзо расподелити по целој расположивој запремини суда, тако да ће после врло кратког времена свуда бити константно повишена температура. Такво изједначавање температуре у одсуству мешања, дакле кондуктивним путем, трајало би неупоредиво дуже. Из горњег примера следи закључак: брзо изједначавање температуре означава да је процес преноса топлоте у посматраном систему брз. У техници је у начелу повољно да се сви процеси, па и процеси преноса топлоте интензивирају. Стога се при преносу топлоте кроз флуиде увек где је то могуће радије користи конвекција, него кондукција, при чему се истовремено води рачуна и о утрошку енергије потребне за мешање флуида. Зато је увек пожељније да се мешање изведе без употребе механичких средстава – само под дејством разлике у густини флуида проузроковане најчешће температурним разликама у њему. Таква се ситуација остварује код течности у суду која се загрева кроз дно: топлији (ређи) слојеви се подижу ка врху, уступајући место хладнијим (гушћим) слојевима који падају ка дну суда. Успоставља се струјање чији је интензитет сразмеран температурној разлици дна и врха суда. Током загревања се ова разлика смањује, па и интензитет мешања, одакле је очито да овакав процес преноса топлоте природном конвекцијом има озбиљних ограничења. Стога се у ситуацијама где је потребно пренос топлоте учинити интензивнијим и уопште, подложнијим регулацији, уводи принудно, механичко мешање, па се процес преноса топлоте у таквим условима назива принудна конвекција.

Израчунавање прелажења топлотеУреди

Пренос топлоте конвекцијом можемо рачунати помоћу Њутновог закона хлађења :

q = hc (Tp - Tf)

где је Тп температура чврсте плоче уз коју струји флуид, Тф температура флуида даље од граничне плоче, а хц коефицијент конвекције који се изражава у W /м2К. Тај коефицијент зависи од низа параметара, нпр. од разлике температура, облика и положаја плоче, брзине и начина струјања флуида (ламинарно и турбулентно), врсте флуида...

Прелажење топлоте у природиУреди

Конвекција се може показати на простом примеру загревања просторије помоћу радијатора. Температура течности у радијатору је знатно виша од температуре ваздуха у просторији. Услед тога ваздух који се додирује са радијатором бива загрејан, услед чега му се смањује густина. Због тога се топао ваздух креће навише. Његово кретање навише изазива потискивање хладнијих делова ваздуха наниже. Услед тога хладан ваздух долази радијатору са доње стране, док са горње стране радијатора одлази топао ваздух. На тај начин се успостави природна циркулација ваздуха око радијатора, те се тако топлота пренесе по целој просторији.

Разни ветрови у атмосфери такође су врста конвекције којом се топао ваздух преноси са једног дела Земљине површине на други. Познате су и разне струје у океанима и морима, међу којима је најпознатија Голфска струја. Код таквих струја се топлота са екватора преноси на велике даљиње путем површинског струјања морске воде, док се, са друге стране, хладна вода креће по дну океана у супротном смеру.

Зрачење (радијација)Уреди

Између Сунца и Земље је простор у коме нема супстанце (вакуум). Због тога претходна два механизма преношења топлоте не могу функционисати. Дакле нема ни провођења ни конвекције. Из искуства излагања сунчевим зрацима ми знамо да они загревају тела на која падају. Овај начин преношења топлоте се назива зрачење. Дакле Сунце у простор зрачи електромагнетне таласе, преко којих се преноси топлота. Електромагнетни таласи имају једну занимљиву особину да им није потребна средина да би се простирали, тј. могу се простирати кроз вакуум.

Сва тела која имају температуру вишу од температуре апсолутне нуле зраче топлоту где површина има значајну улогу, али истовремено и апсорбују енергију у облику електромагнетних таласа. На нижим температурама загрејано тело предаје топлоту највећим делом путем конвекције и провођења, мада свакако постоји и зрачење само је оно мање изражено, јер су температуре блиске па је мала разлика четвртих степена апсолутних термодинамичких температура, док ће на вишим температурама преовладати одавање топлоте путем зрачења.

Апсорпција, рефлексија, транспаренцијаУреди

Зрачење је резултат унутаратомских промена током којих се унутрашња енергија тела претвара у енергију која се путем електромагнетних таласа простире на друга тела. Укупна енергија зрачења које пада на неко тело делимично се апсорбује, делимично рефлектује, а делимично прође кроз њега.

a = Pa/Pu,

где је Pa снага апсорбованог зрачења, а Pu укупна снага зрачења,

Pu = Pa + Pr + Pt = aPu + rPu + tPu = Pu(a+r+t)
a+r+t=1
  • a - коефицијент апсорпције
  • r - коефицијент рефлексије
  • t - коефицијент транспаренције
  1. За a = 1, апсолутно црно тело; апсорбује сву топлоту;
  2. За r = 1, апослуно бело тело; рефлектује сву топлоту;
  3. За t = 1, апослутно транспарентно (дијатермно) тело, пропушта сву топлоту.

Израчунавање зрачењаУреди

Количина топлоте ΔQ која се путем зрачења емитује од стране апсолутно црног тела сразмерна је времену емитовања Δτ, површини S, али и емисионој способности (моћи) тела Wец, која је сразмерна Т4.

ΔQ = σT 4 SΔτ

Укупна емисиона моћ (способност) црног тела Wec (енергија коју тело израчи са јединичне површине у јединици времена) дата је Штефан-Болцмановим законом:

σ = 5.7⋅10−8 W/m2K4 Штефан-Болцманова константа
Wec = σT 4

Емисиона моћ (способност) We било којег тела зависи од релативне емисионе способности тела e (0<e<1), која је карактеристика материјала и структуре површине тела које зрачи:

We = e σT4

РеференцеУреди

  1. ^ Геанкоплис, Цхристие Јохн (2003). Транспорт Процессес анд Сепаратион Принциплес (4тх изд.). Прентице Халл. ИСБН 0-13-101367-X. 
  2. ^ „Б.С. Цхемицал Енгинееринг”. Неw Јерсеy Институте оф Тецхнологy, Цхемицал Енгинееринг Департемент. Архивирано из оригинала на датум 10. 12. 2010. Приступљено 9. 4. 2011. 
  3. ^ Лиенхард, Јохн Х. IV; Лиенхард, Јохн Х. V (2019). А Хеат Трансфер Теxтбоок (5тх изд.). Минеола, НY: Довер Пуб. стр. 3. 
  4. ^ Wелтy, Јамес Р.; Wицкс, Цхарлес Е.; Wилсон, Роберт Еллиотт (1976). Фундаменталс оф моментум, хеат, анд масс трансфер (2нд изд.). Неw Yорк: Wилеy. ИСБН 978-0-471-93354-0. ОЦЛЦ 2213384. 
  5. 5,0 5,1 Фагхри, Амир; Зханг, Yуwен; Хоwелл, Јохн (2010). Адванцед Хеат анд Масс Трансфер. Цолумбиа, МО: Глобал Дигитал Пресс. ИСБН 978-0-9842760-0-4. 
  6. ^ Таyлор, Р. А. (2012). „Социоецономиц импацтс оф хеат трансфер ресеарцх”. Интернатионал Цоммуницатионс ин Хеат анд Масс Трансфер. 39 (10): 1467—1473. дои:10.1016/ј.ицхеатмасстрансфер.2012.09.007. 

ЛитератураУреди

  1. Петар Калушић 1991. Механика и топлина, Школска књига Загреб;
  2. L. D. Ландуа и Е. M. Лифшић, преводилац Драгољуб Поповић 1965. Механика непрекидних средина, Издавачко предузеће Грађевинска књига Београд
  3. Францис Wестон Сеарса 1962. Механика-Таласно кретање-топлота, Научна књига Београд

Спољашње везеУреди