בוא נדבר על מהי העברת חום. מונח זה מתייחס לתהליך העברת האנרגיה בחומר. הוא מאופיין במנגנון מורכב, המתואר על ידי משוואת החום.
זנים של העברת חום
כיצד מסווגת העברת חום? הולכת חום, הסעה, קרינה הם שלושת אופני העברת האנרגיה הקיימים בטבע.
לכל אחד מהם יש מאפיינים ייחודיים משלו, תכונות, יישומים בטכנולוגיה.
מוליכות תרמית
כמות החום מובנת כסכום האנרגיה הקינטית של מולקולות. כשהם מתנגשים, הם מסוגלים להעביר חלק מהחום שלהם לחלקיקים קרים. מוליכות תרמית מתבטאת בצורה מקסימלית במוצקים, פחות אופיינית לנוזלים, ממש לא אופיינית לחומרים גזים.
כדוגמה המאשרת את יכולתם של מוצקים להעביר חום מאזור אחד לאחר, שקול את הניסוי הבא.
אם תקבע כפתורי מתכת על חוט פלדה, אז תביא את קצה החוט למנורת רוח בוערת, בהדרגה הכפתורים יתחילו ליפול ממנו. בחימום, המולקולות מתחילות לנוע במהירות גבוהה יותר, לעתים קרובות יותרמתנגשים זה בזה. חלקיקים אלו הם שנותנים את האנרגיה והחום שלהם לאזורים קרים יותר. אם נוזלים וגזים אינם מספקים יציאה מהירה מספיק של חום, הדבר מוביל לעלייה חדה בשיפוע הטמפרטורה באזור החם.
קרינת חום
בתשובה לשאלה איזה סוג של העברת חום מלווה בהעברת אנרגיה, יש לשים לב לשיטה המסוימת הזו. העברת קרינה כוללת העברת אנרגיה על ידי קרינה אלקטרומגנטית. גרסה זו נצפית בטמפרטורה של 4000 K ומתוארת על ידי משוואת הולכת החום. מקדם הספיגה תלוי בהרכב הכימי, הטמפרטורה, הצפיפות של גז מסוים.
להעברת חום של אוויר יש גבול מסוים, עם עלייה בזרימת האנרגיה, שיפוע הטמפרטורה עולה, מקדם הספיגה עולה. לאחר שהערך של שיפוע הטמפרטורה יעלה על השיפוע האדיאבטי, תתרחש הסעה.
מהי העברת חום? זהו התהליך הפיזי של העברת אנרגיה מחפץ חם לקר במגע ישיר או דרך מחיצה שמפרידה בין החומרים.
אם לגופים של אותה מערכת יש טמפרטורות שונות, אז תהליך העברת האנרגיה מתרחש עד שנוצר שיווי משקל תרמודינמי ביניהם.
תכונות העברת חום
מהי העברת חום? מהן המאפיינים של תופעה זו? אתה לא יכול לעצור את זה לגמרי, אתה יכול רקלהוריד את המהירות שלו? האם העברת חום משמשת בטבע ובטכנולוגיה? העברת חום היא המלווה ומאפיינת תופעות טבע רבות: התפתחות כוכבי לכת וכוכבים, תהליכים מטאורולוגיים על פני כוכב הלכת שלנו. לדוגמה, יחד עם חילופי המונים, תהליך העברת החום מאפשר לך לנתח קירור באידוי, ייבוש, דיפוזיה. הוא מתבצע בין שני נושאי אנרגיה תרמית דרך קיר מוצק, הפועל כממשק בין גופים.
העברת חום בטבע ובטכנולוגיה היא דרך לאפיין את מצבו של גוף אינדיבידואלי, לנתח את התכונות של מערכת תרמודינמית.
חוק פורייה
זה נקרא חוק הולכת החום, מכיוון שהוא מקשר את ההספק הכולל של איבוד החום, הפרש הטמפרטורה עם שטח החתך של המקבילית, אורכו, וגם עם מקדם המוליכות התרמית. לדוגמה, עבור ואקום, מחוון זה הוא כמעט אפס. הסיבה לתופעה זו היא הריכוז המינימלי של חלקיקי חומר בוואקום שיכולים לשאת חום. למרות תכונה זו, בוואקום יש וריאנט של העברת אנרגיה על ידי קרינה. שקול את השימוש בהעברת חום על בסיס תרמוס. קירותיו עשויים כפולים על מנת להגביר את תהליך ההשתקפות. אוויר נשאב החוצה ביניהם, תוך הפחתת איבוד החום.
הסעה
בתשובה לשאלה מהי העברת חום, שקול את תהליך העברת החום בנוזליםאו בגזים על ידי ערבוב ספונטני או מאולץ. במקרה של הסעה מאולצת, תנועת החומר נגרמת מפעולת כוחות חיצוניים: להבי מאוורר, משאבה. אפשרות דומה משמשת במצבים שבהם הסעה טבעית אינה יעילה.
נצפה תהליך טבעי באותם מקרים שבהם, בחימום לא אחיד, השכבות התחתונות של החומר מחוממות. הצפיפות שלהם יורדת, הם עולים למעלה. השכבות העליונות, להיפך, מתקררות, הופכות כבדות יותר ושוקעות למטה. בהמשך התהליך חוזר על עצמו מספר פעמים, ובמהלך הערבוב נצפה ארגון עצמי למבנה המערבולות, נוצר סריג רגיל מתאי ההסעה.
עקב הסעה טבעית נוצרים עננים, משקעים יורדים והלוחות הטקטוניים נעים. על ידי הסעה נוצרים גרגירים על השמש.
שימוש נכון בהעברת חום מבטיח מינימום איבוד חום, צריכה מקסימלית.
מהות הסעה
כדי להסביר הסעה, אתה יכול להשתמש בחוק ארכימדס, כמו גם בהתפשטות תרמית של מוצקים ונוזלים. ככל שהטמפרטורה עולה, נפח הנוזל גדל והצפיפות יורדת. בהשפעת כוח ארכימדס, נוזל קל יותר (מחומם) נוטה כלפי מעלה, ושכבות קרות (צפופות) נופלות למטה, ומתחממות בהדרגה.
כאשר הנוזל מחומם מלמעלה, הנוזל החם נשאר במקומו המקורי, כך שלא נצפית הסעה. כך עובד המחזורנוזל, המלווה בהעברת אנרגיה מאזורים חמים למקומות קרים. בגזים, הסעה מתרחשת על פי מנגנון דומה.
מנקודת מבט תרמודינמית, הסעה נחשבת כגרסה של העברת חום, שבה העברת האנרגיה הפנימית מתרחשת על ידי זרימות נפרדות של חומרים מחוממים בצורה לא אחידה. תופעה דומה מתרחשת בטבע ובחיי היומיום. לדוגמה, רדיאטורי חימום מותקנים בגובה מינימלי מהרצפה, ליד אדן החלון.
אוויר קר מתחמם על ידי הסוללה, ואז עולה בהדרגה, שם הוא מתערבב עם המוני אוויר קר שיורדים מהחלון. הסעה מובילה לביסוס טמפרטורה אחידה בחדר.
בין הדוגמאות הנפוצות להסעה אטמוספרית הן רוחות: מונסונים, רוחות. האוויר שמתחמם מעל חלקים מסוימים של כדור הארץ מתקרר על פני אחרים, וכתוצאה מכך הוא מסתובב, לחות ואנרגיה מועברות.
תכונות של הסעה טבעית
הוא מושפע מכמה גורמים בו-זמנית. לדוגמה, קצב ההסעה הטבעי מושפע מהתנועה היומיומית של כדור הארץ, זרמי הים והטופוגרפיה של פני השטח. הסעה היא הבסיס ליציאה ממכתשי הר געש ומצינורות עשן, היווצרות הרים, דאיית ציפורים שונות.
לסיכום
קרינה תרמית היא תהליך אלקטרומגנטי בעל ספקטרום רציף, הנפלט מחומר, מתרחש עקב אנרגיה פנימית. על מנת לבצע חישובים של קרינה תרמית, בהפיזיקה משתמשת במודל הגוף השחור. תאר קרינה תרמית באמצעות חוק סטפן-בולצמן. עוצמת הקרינה של גוף כזה עומדת ביחס ישר לשטח הפנים ולטמפרטורת הגוף, בחזקת רביעית.
מוליכות תרמית אפשרית בכל גופים שיש להם פיזור טמפרטורה לא אחיד. מהות התופעה היא השינוי באנרגיה הקינטית של מולקולות ואטומים, הקובעת את טמפרטורת הגוף. במקרים מסוימים, מוליכות תרמית נחשבת ליכולת הכמותית של חומר מסוים להוליך חום.
תהליכים בקנה מידה גדול של חילופי אנרגיה תרמית אינם מוגבלים לחימום של פני כדור הארץ על ידי קרינת שמש.
זרמי הסעה חמורים באטמוספירה של כדור הארץ מאופיינים בשינויים בתנאי מזג האוויר ברחבי כדור הארץ. עם הבדלי טמפרטורות באטמוספירה בין אזורי הקוטב והמשווני, נוצרות זרימות הסעה: זרמי סילון, רוחות סחר, חזיתות קרות וחמות.
העברת החום מליבת כדור הארץ אל פני השטח גורמת להתפרצויות געשיות, להופעת גייזרים. באזורים רבים, אנרגיה גיאותרמית משמשת לייצור חשמל, חימום מגורים ותעשיה.
החום הוא שהופך למשתתף חובה בטכנולוגיות ייצור רבות. למשל, עיבוד והיתוך מתכות, ייצור מזון, זיקוק נפט, הפעלת מנועים - כל זה מתבצע רק בנוכחות אנרגיה תרמית.
