Tipi di scambio termico: coefficiente di scambio termico

2024 Autore: Howard Calhoun | [email protected]. Ultima modifica: 2023-12-17 10:31

Qualsiasi corpo materiale ha una caratteristica come il calore, che può aumentare e diminuire. Il calore non è una sostanza materiale: come parte dell'energia interna di una sostanza, nasce come risultato del movimento e dell'interazione delle molecole. Poiché il calore di diverse sostanze può differire, esiste un processo di trasferimento del calore da una sostanza più calda a una sostanza con meno calore. Questo processo è chiamato trasferimento di calore. Considereremo i principali tipi di trasferimento di calore e i meccanismi della loro azione in questo articolo.

Determinazione del trasferimento di calore

Il trasferimento di calore, o il processo di trasferimento della temperatura, può avvenire sia all'interno della materia che da una sostanza all' altra. Allo stesso tempo, l'intensità del trasferimento di calore dipende in gran parte dalle proprietà fisiche della materia, dalla temperatura delle sostanze (se più sostanze partecipano al trasferimento di calore) e dalle leggi della fisica. Il trasferimento di calore è un processo che procede sempre unilateralmente. Il principio principale del trasferimento di calore è che il corpo più caldo cede sempre calore a un oggetto con una temperatura più bassa. Ad esempio, quando si stirano i vestiti, un ferro caldodona calore ai pantaloni, e non viceversa. Il trasferimento di calore è un fenomeno dipendente dal tempo che caratterizza la distribuzione irreversibile del calore nello spazio.

Meccanismi di trasferimento del calore

I meccanismi di interazione termica delle sostanze possono assumere forme diverse. Esistono tre tipi di trasferimento di calore in natura:

1. La conduttività termica è un meccanismo di trasferimento di calore intermolecolare da una parte del corpo a un' altra oa un altro oggetto. La proprietà si basa sulla disomogeneità della temperatura nelle sostanze in esame.
2. Convezione - scambio di calore tra fluidi (liquido, aria).
3. L'azione radiante è il trasferimento di calore da corpi (sorgenti) riscaldati e riscaldati a causa della loro energia sotto forma di onde elettromagnetiche a spettro costante.

Consideriamo più in dettaglio i tipi di trasferimento di calore elencati.

Conducibilità termica

Molto spesso, la conduttività termica si osserva nei solidi. Se, sotto l'influenza di qualsiasi fattore, nella stessa sostanza compaiono aree con temperature diverse, l'energia termica da un'area più calda passerà a una fredda. In alcuni casi, questo fenomeno può essere osservato anche visivamente. Ad esempio, se prendiamo un'asta di metallo, diciamo, un ago, e la riscaldiamo sul fuoco, dopo un po' vedremo come l'energia termica viene trasferita attraverso l'ago, formando un bagliore in una determinata area. Allo stesso tempo, in un luogo dove la temperatura è più alta, il bagliore è più luminoso e, al contrario, dove t è più basso, è più scuro. La conduzione del calore può essere osservata anche tra due corpi (una tazza di tè caldo e una mano)

L'intensità del trasferimento del flusso di calore dipende da molti fattori, il cui rapporto è stato rivelato dal matematico francese Fourier. Questi fattori includono principalmente il gradiente di temperatura (il rapporto tra la differenza di temperatura alle estremità dell'asta e la distanza da un'estremità all' altra), l'area della sezione trasversale del corpo e il coefficiente di conducibilità termica (è diverso per tutte le sostanze, ma il più alto si osserva nei metalli). Il coefficiente di conducibilità termica più significativo si osserva in rame e alluminio. Non sorprende che questi due metalli siano più spesso utilizzati nella produzione di cavi elettrici. Seguendo la legge di Fourier, il flusso di calore può essere aumentato o diminuito modificando uno di questi parametri.

Tipi di trasferimento di calore a convezione

La convezione, caratteristica principalmente di gas e liquidi, ha due componenti: conducibilità termica intermolecolare e movimento (distribuzione) del mezzo. Il meccanismo d'azione della convezione si verifica come segue: con un aumento della temperatura di una sostanza fluida, le sue molecole iniziano a muoversi più attivamente e, in assenza di restrizioni spaziali, il volume della sostanza aumenta. La conseguenza di questo processo sarà una diminuzione della densità della sostanza e il suo movimento verso l' alto. Un esempio lampante di convezione è il movimento dell'aria riscaldata da un radiatore da una batteria al soffitto.

Distinguere tra tipi di trasferimento di calore convettivi liberi e forzati. Il trasferimento di calore e il movimento di massa nel tipo libero si verificano a causa dell'eterogeneità della sostanza, ovvero il liquido caldo sale al di sopra del freddo naturalemodo senza essere influenzati da forze esterne (es. riscaldamento di una stanza con riscaldamento centralizzato). Con la convezione forzata, il movimento della massa avviene sotto l'influenza di forze esterne, ad esempio mescolando il tè con un cucchiaio.

Trasferimento di calore radiante

Il trasferimento di calore radiante o radiativo può avvenire senza contatto con un altro oggetto o sostanza, quindi è possibile anche in uno spazio senz'aria (vuoto). Il trasferimento di calore radiativo è inerente a tutti i corpi in misura maggiore o minore e si manifesta sotto forma di onde elettromagnetiche con uno spettro continuo. Un ottimo esempio di questo è il sole. Il meccanismo d'azione è il seguente: il corpo irradia continuamente una certa quantità di calore nello spazio che lo circonda. Quando questa energia colpisce un altro oggetto o sostanza, parte di essa viene assorbita, la seconda parte passa e la terza parte viene riflessa nell'ambiente. Qualsiasi oggetto può sia irradiare calore che assorbire, mentre le sostanze scure sono in grado di assorbire più calore di quelle leggere.

Meccanismi combinati di trasferimento del calore

In natura, i tipi di processi di trasferimento del calore si trovano raramente separatamente. Molto più spesso possono essere visti insieme. In termodinamica, queste combinazioni hanno anche nomi, ad esempio conduttività termica + convezione è trasferimento di calore convettivo e conduttività termica + radiazione termica è chiamato trasferimento di calore radiativo-conduttivo. Inoltre, esistono tipi combinati di trasferimento di calore come:

• Dissipazione di calore -il movimento di energia termica tra un gas o un liquido e un solido.
• Il trasferimento di calore è il trasferimento di t da una materia all' altra attraverso un ostacolo meccanico.
• Il trasferimento di calore radiante convettivo si forma combinando convezione e radiazione termica.

Tipi di trasferimento di calore in natura (esempi)

Il trasferimento di calore in natura gioca un ruolo enorme e non si limita al riscaldamento del globo mediante i raggi del sole. Le estese correnti di convezione, come il movimento delle masse d'aria, determinano in gran parte il tempo in tutto il nostro pianeta.

La conduttività termica del nucleo terrestre porta alla comparsa di geyser e all'eruzione di rocce vulcaniche. Questi sono solo alcuni esempi di trasferimento di calore su scala globale. Insieme, formano i tipi di trasferimento di calore convettivo e i tipi di trasferimento di calore radiativo-conduttivo necessari per sostenere la vita sul nostro pianeta.

L'uso del trasferimento di calore nelle attività antropologiche

Il calore è una componente importante di quasi tutti i processi produttivi. Difficile dire quale tipo di scambio termico sia maggiormente utilizzato dall'uomo nell'economia nazionale. Probabilmente tutti e tre contemporaneamente. I processi di trasferimento del calore vengono utilizzati per fondere i metalli, producendo una vasta gamma di beni che vanno dagli oggetti di uso quotidiano ai veicoli spaziali.

Estremamente importanti per la civiltà sono le unità termiche in grado di convertire l'energia termica in energia utile. Frapossono essere chiamati benzina, diesel, compressore, unità a turbina. Per il loro lavoro, utilizzano diversi tipi di trasferimento di calore.