סוגי העברת חום: מקדם העברת חום

2024 מְחַבֵּר: Howard Calhoun | [email protected]. שונה לאחרונה: 2023-12-17 10:27

לכל גוף חומרי יש מאפיין כמו חום, שיכול לגדול ולהצטמצם. חום אינו חומר חומרי: כחלק מהאנרגיה הפנימית של חומר, הוא נוצר כתוצאה מתנועה ואינטראקציה של מולקולות. מכיוון שחום של חומרים שונים עשוי להיות שונה, ישנו תהליך של העברת חום מחומר חם יותר לחומר עם פחות חום. תהליך זה נקרא העברת חום. נשקול את הסוגים העיקריים של העברת חום ואת מנגנוני פעולתם במאמר זה.

קביעת העברת חום

העברת חום, או תהליך העברת הטמפרטורה, יכולה להתרחש הן בתוך החומר והן מחומר אחד למשנהו. יחד עם זאת, עוצמת העברת החום תלויה במידה רבה בתכונות הפיזיקליות של החומר, בטמפרטורה של חומרים (אם מספר חומרים משתתפים בהעברת החום) ובחוקי הפיזיקה. העברת חום היא תהליך שמתקדם תמיד באופן חד צדדי. העיקרון העיקרי של העברת חום הוא שהגוף החם ביותר תמיד פולט חום לחפץ עם טמפרטורה נמוכה יותר. למשל, בעת גיהוץ בגדים, מגהץ חםנותן חום למכנסיים, ולא להיפך. העברת חום היא תופעה תלוית זמן המאפיינת את הפיזור הבלתי הפיך של החום בחלל.

מנגנוני העברת חום

מנגנונים של אינטראקציה תרמית של חומרים יכולים ללבוש צורות שונות. ישנם שלושה סוגים של העברת חום בטבע:

1. מוליכות תרמית היא מנגנון של העברת חום בין-מולקולרית מחלק אחד של הגוף לאחר או לאובייקט אחר. התכונה מבוססת על חוסר ההומוגניות של הטמפרטורה בחומרים הנבחנים.
2. הסעה - חילופי חום בין מדיה נוזלית (נוזל, אוויר).
3. פעולת קרינה היא העברת חום מגופים מחוממים ומחוממים (מקורות) עקב האנרגיה שלהם בצורה של גלים אלקטרומגנטיים עם ספקטרום קבוע.

בואו נשקול את סוגי העברת החום הרשומים ביתר פירוט.

מוליכות תרמית

לרוב, מוליכות תרמית נצפית במוצקים. אם, בהשפעת גורמים כלשהם, מופיעים אזורים עם טמפרטורות שונות באותו חומר, אזי אנרגיה תרמית מאזור חם יותר תעבור לאזור קר. במקרים מסוימים, ניתן אפילו לראות תופעה זו חזותית. לדוגמה, אם ניקח מוט מתכת, נניח, מחט, ונחמם אותו על האש, אז לאחר זמן מה נראה כיצד מועברת אנרגיה תרמית דרך המחט, ויוצרת זוהר באזור מסוים. יחד עם זאת, במקום בו הטמפרטורה גבוהה יותר, הזוהר בהיר יותר ולהפך, כאשר t נמוך יותר, הוא כהה יותר. ניתן לראות הולכת חום גם בין שני גופים (ספל תה חם ויד)

עוצמת העברת שטף החום תלויה בגורמים רבים, שהיחס ביניהם נחשף על ידי המתמטיקאי הצרפתי פורייה. גורמים אלו כוללים בעיקר את שיפוע הטמפרטורה (היחס בין הפרש הטמפרטורה בקצוות המוט למרחק מקצה אחד למשנהו), את שטח החתך של הגוף ומקדם המוליכות התרמית (זה שונה עבור כל החומרים, אבל הגבוה ביותר נצפה במתכות). המקדם המשמעותי ביותר של מוליכות תרמית נצפה בנחושת ובאלומיניום. אין זה מפתיע ששתי המתכות הללו משמשות לעתים קרובות יותר בייצור חוטי חשמל. בהתאם לחוק פורייה, ניתן להגדיל או להקטין את שטף החום על ידי שינוי אחד מהפרמטרים הללו.

סוגי הסעה של העברת חום

הסעה, האופיינית בעיקר לגזים ונוזלים, כוללת שני מרכיבים: מוליכות תרמית בין-מולקולרית ותנועה (חלוקה) של המדיום. מנגנון הפעולה של הסעה מתרחש כדלקמן: עם עלייה בטמפרטורה של חומר נוזלי, המולקולות שלו מתחילות לנוע בצורה פעילה יותר, ובהיעדר מגבלות מרחביות, נפח החומר גדל. התוצאה של תהליך זה תהיה ירידה בצפיפות החומר ותנועתו כלפי מעלה. דוגמה בולטת להסעה היא תנועת האוויר המחומם על ידי רדיאטור מהסוללה לתקרה.

הבחנה בין סוגי הסעה חופשית ומאולצת של העברת חום. העברת חום ותנועת מסה בסוג החופשי מתרחשת עקב ההטרוגניות של החומר, כלומר, הנוזל החם עולה מעל הטבע הקר.דרך מבלי להיות מושפע מכוחות חיצוניים (למשל חימום חדר בהסקה מרכזית). בהסעה מאולצת, תנועת המסה מתרחשת בהשפעת כוחות חיצוניים, למשל, ערבוב תה עם כפית.

העברת חום קרינה

העברת חום קורנת או קרינה יכולה להתרחש ללא מגע עם חפץ או חומר אחר, לכן זה אפשרי גם בחלל חסר אוויר (וואקום). העברת חום קרינה טבועה בכל הגופים במידה רבה או פחותה ומתבטאת בצורה של גלים אלקטרומגנטיים בעלי ספקטרום רציף. דוגמה מצוינת לכך היא השמש. מנגנון הפעולה הוא כדלקמן: הגוף מקרין ללא הרף כמות מסוימת של חום לחלל המקיף אותו. כאשר אנרגיה זו פוגעת באובייקט אחר או בחומר אחר, חלק ממנה נספג, החלק השני עובר דרכו והחלק השלישי משתקף אל הסביבה. כל חפץ יכול גם להקרין חום וגם לספוג, בעוד שחומרים כהים מסוגלים לספוג יותר חום מאלה הבהירים.

מנגנוני העברת חום משולבים

בטבע, סוגים של תהליכי העברת חום נמצאים רק לעתים נדירות בנפרד. לעתים קרובות יותר ניתן לראות אותם יחד. בתרמודינמיקה, לשילובים הללו יש אפילו שמות, למשל, מוליכות תרמית + הסעה היא העברת חום הסעה, ומוליכות תרמית + קרינה תרמית נקראת העברת חום מוליך קרינה. בנוסף, ישנם סוגים משולבים של העברת חום כמו:

• פיזור חום -התנועה של אנרגיה תרמית בין גז או נוזל למוצק.
• העברת חום היא העברה של t מחומר אחד למשנהו באמצעות מכשול מכני.
• העברת חום בקרינת הסעה נוצרת על ידי שילוב של הסעה וקרינה תרמית.

סוגי העברת חום בטבע (דוגמאות)

העברת חום בטבע משחקת תפקיד עצום ואינה מוגבלת לחימום כדור הארץ על ידי קרני השמש. זרמי הסעה נרחבים, כמו תנועה של מסות אוויר, קובעים במידה רבה את מזג האוויר ברחבי הפלנטה שלנו.

המוליכות התרמית של ליבת כדור הארץ מובילה להופעת גייזרים ולהתפרצות של סלעים געשיים. אלו הן רק כמה דוגמאות להעברת חום בקנה מידה עולמי. יחד, הם יוצרים את סוגי העברת החום ההסעה וסוגי העברת החום המוליכים קרינה הנחוצים כדי לקיים חיים על הפלנטה שלנו.

השימוש בהעברת חום בפעילויות אנתרופולוגיות

חום הוא מרכיב חשוב כמעט בכל תהליכי הייצור. קשה לומר איזה סוג של חילופי חום משמש את האדם יותר מכל בכלכלה הלאומית. כנראה שלושתם בו זמנית. תהליכי העברת חום משמשים להתכת מתכות, מייצרים מגוון עצום של סחורות, החל מפריטים יומיומיים ועד חלליות.

חשובות ביותר עבור הציוויליזציה הן יחידות תרמיות המסוגלות להמיר אנרגיה תרמית לכוח שימושי. ביןהם יכולים להיקרא בנזין, דיזל, מדחס, יחידות טורבינה. לצורך עבודתם, הם משתמשים בסוגים שונים של העברת חום.