כאן ימצא הקורא מידע כללי על מהי העברת חום, וכן ישקול בפירוט את תופעת העברת החום הקרינה, הציות שלה לחוקים מסוימים, תכונות התהליך, נוסחת החום, השימוש של העברת חום על ידי האדם וזרימתו בטבע.
כניסה לחילופי חום
כדי להבין את המהות של העברת חום קורנת, תחילה עליך להבין את מהותו ולדעת מהי?
העברת חום היא שינוי במדד האנרגיה של הסוג הפנימי ללא עבודה על האובייקט או הסובייקט, וגם ללא עבודה שנעשתה על ידי הגוף. תהליך כזה ממשיך תמיד בכיוון מסוים, כלומר: חום עובר מגוף עם אינדקס טמפרטורה גבוה יותר לגוף עם גוף נמוך יותר. עם הגעה להשוואת טמפרטורות בין גופים, התהליך נעצר, והוא מתבצע בעזרת הולכת חום, הסעה וקרינה.
- הולכה תרמית היא תהליך של העברת אנרגיה פנימית מחלק גוף אחד למשנהו או בין גופים כאשר הם יוצרים מגע.
- הסעה היא העברת חום הנובעת מהעברת אנרגיה יחד עם זרימות נוזל או גז.
- קרינה היא אלקטרומגנטית בטבעה, הנפלטת עקב האנרגיה הפנימית של חומר שנמצא במצב של טמפרטורה מסוימת.
נוסחת החום מאפשרת לך לבצע חישובים כדי לקבוע את כמות האנרגיה המועברת, עם זאת, הערכים הנמדדים תלויים באופי התהליך המתמשך:
- Q=cmΔt=cm(t2 – t1) – חימום וקירור;
- Q=mλ – התגבשות והתכה;
- Q=mr - עיבוי אדים, רתיחה ואידוי;
- Q=mq – בעירת דלק.
קשר בין גוף לטמפרטורה
כדי להבין מהי העברת חום קורנת, עליך לדעת את חוקי הפיסיקה הבסיסיים לגבי קרינת אינפרא אדומה. חשוב לזכור שכל גוף שהטמפרטורה שלו מעל האפס במונחים אבסולוטיים תמיד מקרין אנרגיה תרמית. הוא שוכן בספקטרום האינפרא אדום של גלים בעלי טבע אלקטרומגנטי.
עם זאת, לגופים שונים, בעלי אותה טמפרטורה, תהיה יכולת שונה לפלוט אנרגיית קרינה. מאפיין זה יהיה תלוי בגורמים שונים כגון: מבנה גוף, אופי, צורה ומצב פני השטח. טבעה של קרינה אלקטרומגנטית מתייחס לגל הכפול, הגופי. לשדה של הסוג האלקטרומגנטי יש אופי קוונטי, והקוואנטות שלו מיוצגות על ידי פוטונים. באינטראקציה עם אטומים, פוטונים נספגים ומעבירים את האנרגיה שלהם לאלקטרונים, הפוטון נעלם. תנודה תרמית מעריכי אנרגיההאטום במולקולה גדל. במילים אחרות, האנרגיה המוקרנת מומרת לחום.
אנרגיה מוקרנת נחשבת לכמות העיקרית והיא מסומנת בסימן W, הנמדד בג'אול (J). שטף הקרינה מבטא את הערך הממוצע של הספק על פני פרק זמן גדול בהרבה מתקופות התנודות (האנרגיה הנפלטת במהלך יחידת זמן). היחידה הנפלטת מהזרם מבוטאת בג'אול לשנייה (J/s), הוואט (W) נחשב לאופציה המקובלת.
מבוא להעברת חום קורן
עכשיו עוד על התופעה. העברת חום קרינה היא חילופי חום, תהליך העברתו מגוף אחד למשנהו, בעל אינדקס טמפרטורה שונה. מתרחש בעזרת קרינת אינפרא אדומה. הוא אלקטרומגנטי ונמצא באזורי ספקטרום הגלים בעלי אופי אלקטרומגנטי. טווח הגלים נע בטווח שבין 0.77 ל-340 מיקרומטר. טווחים מ-340 עד 100 מיקרומטר נחשבים לגלים ארוכים, 100 - 15 מיקרומטר שייכים לטווח הגלים הבינוני, ואורכי גל קצרים מ-15 עד 0.77 מיקרומטר.
חלק הגלים הקצרים של ספקטרום האינפרא אדום צמוד לאור הנראה, וחלקי הגלים הארוכים נכנסים לגל הרדיו הקצר במיוחד. קרינת אינפרא אדום מאופיינת בהתפשטות ישר, היא מסוגלת לשבור, להחזיר ולקטב. מסוגל לחדור למגוון חומרים אטומים לאור נראה.
במילים אחרות, ניתן לאפיין העברת חום קורנת כהעברהחום בצורה של אנרגיית גלים אלקטרומגנטית, בעוד התהליך ממשיך בין משטחים הנמצאים בתהליך של קרינה הדדית.
מדד העוצמה נקבע על פי הסידור ההדדי של המשטחים, יכולות הפליטה והספיגה של גופים. העברת חום קרינה בין גופים שונה מתהליכי הסעה והולכת חום בכך שניתן לשלוח חום דרך ואקום. הדמיון של תופעה זו לאחרות נובע מהעברת חום בין גופים בעלי מדדי טמפרטורה שונים.
שטף קרינה
להעברת חום קרינה בין גופים יש מספר מסוים של שטפי קרינה:
- שטף הקרינה הפנימי - E, התלוי במדד הטמפרטורה T ובמאפיינים האופטיים של הגוף.
- זרימות של קרינה תקרית.
- סוגי שטפי קרינה נספגים, מוחזרים ומשודרים. לסיכום, הם שווים ל-Epad.
הסביבה שבה מתרחשת חילופי חום יכולה לספוג קרינה ולהציג את שלה.
חילופי חום קורן בין מספר מסוים של גופים מתואר על ידי שטף קרינה יעיל:
EEF=E+EOTR=E+(1-A)EFAD.גופים, בכל טמפרטורה, בעלי מחוונים L=1, R=0 ו-O=0, נקראים "שחור לחלוטין". האדם יצר את המושג "קרינה שחורה". הוא מתכתב עם מדדי הטמפרטורה שלו לשיווי המשקל של הגוף. אנרגיית הקרינה הנפלטת מחושבת באמצעות הטמפרטורה של הנבדק או האובייקט, אופי הגוף אינו משפיע על כך.
בעקבות החוקיםבולצמן
לודוויג בולצמן, שחי בשטח האימפריה האוסטרית בשנים 1844-1906, יצר את חוק סטפן-בולצמן. הוא זה שאפשר לאדם להבין טוב יותר את מהות חילופי החום ולפעול עם מידע, ולשפר אותו עם השנים. שקול את הניסוח שלו.
חוק סטפן-בולצמן הוא חוק אינטגרלי שמתאר כמה תכונות של גופים שחורים לחלוטין. זה מאפשר לך לקבוע את התלות של צפיפות כוח הקרינה של גוף שחור באינדקס הטמפרטורה שלו.
ציית לחוק
חוקי העברת החום הזוהר מצייתים לחוק סטפן-בולצמן. רמת עוצמת העברת החום באמצעות הולכת חום והסעה פרופורציונלית לטמפרטורה. אנרגיית הקרינה בשטף החום פרופורציונלית לטמפרטורה בחזקת הרביעית. זה נראה כך:
q=σ A (T14 – T2 4).
בנוסחה, q הוא שטף החום, A הוא שטח הפנים של הגוף המקרין אנרגיה, T1 ו-T2 הן הטמפרטורות הפולטים גופים והסביבה שסופגת קרינה זו.
חוק קרינת החום לעיל מתאר בדיוק רק את הקרינה האידיאלית שנוצרת על ידי גוף שחור לחלוטין (a.h.t.). אין כמעט גופים כאלה בחיים. עם זאת, משטחים שחורים שטוחים מתקרבים ל-A. Ch. T. קרינה מגופי אור חלשה יחסית.
יש גורם פליטות שהוכנס כדי לקחת בחשבון את הסטייה מהאידיאליות של מספר רב שלכמות s.t. לתוך הרכיב הנכון של הביטוי המסביר את חוק סטפן-בולצמן. מדד הפליטה שווה לערך קטן מאחד. משטח שחור שטוח יכול להביא את המקדם הזה ל-0.98, בעוד שמראה מתכת לא יעלה על 0.05. לכן, הספיגות גבוהות עבור גופים שחורים ונמוכות עבור גופים אספקלים.
על הגוף האפור (s.t.)
בהעברת חום, לעתים קרובות יש אזכור של מונח כזה כמו גוף אפור. עצם זה הוא גוף שיש לו מקדם בליעה ספקטרלי של קרינה אלקטרומגנטית פחות מאחד, שאינו מבוסס על אורך הגל (תדר).
פליטת חום זהה לפי ההרכב הספקטרלי של הקרינה של גוף שחור עם אותה טמפרטורה. גוף אפור שונה משחור על ידי אינדיקטור נמוך יותר של תאימות אנרגטית. לרמת השחור הספקטרלית של s.t. אורך הגל אינו מושפע. באור נראה, פיח, פחם ואבקת פלטינה (שחור) קרובים לגוף האפור
שדות יישום של ידע בהעברת חום
פליטת חום מתרחשת כל הזמן סביבנו. בשטחי מגורים ומשרדים, לעתים קרובות ניתן למצוא תנורי חימום חשמליים העוסקים בקרינת חום, ואנו רואים זאת בצורה של זוהר אדמדם של ספירלה - חום כזה שייך לגלוי, הוא "עומד" בקצה של הספירלה. ספקטרום אינפרא אדום.
חימום החדר, למעשה, עוסק במרכיב בלתי נראה של קרינת אינפרא אדום. חל מכשיר לראיית לילהמקור לקרינת חום ומקלטים רגישים לקרינת אינפרא אדומה, המאפשרים לנווט היטב בחושך.
Sun Energy
השמש היא, בצדק, הפולטת החזקה ביותר של אנרגיה בעלת אופי תרמי. הוא מחמם את כוכב הלכת שלנו ממרחק של מאה וחמישים מיליון קילומטרים. עוצמת קרינת השמש, אשר נרשמה מזה שנים רבות ועל ידי תחנות שונות הממוקמות בחלקים שונים של כדור הארץ, תואמת לכ-1.37 W/m2.
אנרגיית השמש היא מקור החיים על פני כדור הארץ. נכון לעכשיו, מוחות רבים עסוקים בניסיון למצוא את הדרך היעילה ביותר להשתמש בו. עכשיו אנחנו מכירים פאנלים סולאריים שיכולים לחמם מבני מגורים ולספק אנרגיה לצרכים יומיומיים.
לסיכום
לסיכום, הקורא יכול כעת להגדיר העברת חום קורנת. תאר תופעה זו בחיים ובטבע. אנרגיית קרינה היא המאפיין העיקרי של גל האנרגיה המשודרת בתופעה כזו, והנוסחאות המפורטות מראות כיצד לחשב אותה. בעמדה הכללית, התהליך עצמו מציית לחוק סטפן-בולצמן ויכול להיות בעל שלוש צורות, בהתאם לאופיו: שטף הקרינה הפוגעת, קרינה מסוגה ומוחזרת, נבלעת ומשודרת.
