Varmeoverførsel drevet af temperaturforskelle: Anvendelser og forskelle i teknisk termodynamik og varmeoverførsel

I de utallige verdener, vi lever i, foregår der konstant forskellige processer, og en af de fysiske processer, der er tættest forbundet med menneskets overlevelse, er overførslen af varmeenergi. Fra det centrale klimaanlæg i moderne bygninger til dannelsen af naturlige vejrfænomener som frost, regn og sne, fra udfordringerne med termisk beskyttelse af rumfartøjer, der vender tilbage til atmosfæren, til effektiv afkøling af elektroniske enheder, fra årstidsbestemte ændringer i folks tøj til frossen opbevaring af menneskelig mad, er alle tæt forbundet med processen med varmeoverførsel.

Varmeoverførselsstudier er en disciplin, der undersøger lovene for varme- eller energioverførsel forårsaget af temperaturforskelle. Termodynamikkens anden lov siger: Uanset hvor der er en temperaturforskel, overføres der naturligvis varme fra et objekt med højere temperatur til et objekt med lavere temperatur. Denne overførte varme kaldes ofte termisk energi.

Temperaturforskelle findes overalt i naturen og inden for forskellige produktionsteknologier, hvilket gør varmeoverførsel til et meget almindeligt fysisk fænomen. For eksempel skyldes vind i naturen temperaturforskelle mellem to steder, hvilket får luft til at strømme fra et område med højere temperatur til et område med lavere temperatur, hvilket yderligere påvirkes af jordens rotation, så der dannes vind. Havstrømme og tyfoner skyldes også temperaturforskelle, der fører til bevægelse af vand eller luft. I industriel produktion indebærer brug af kulfibervarmerør til opvarmning af produkter også overførsel af varmen fra varmerørene til det opvarmede materiale, hvilket er en anden varmeoverførselsproces.

De såkaldte love for varmeoverførsel relaterer primært den mængde varme, der overføres pr. tidsenhed, til den tilsvarende temperaturforskel i et objekt. Relationen på første niveau, der afspejler denne lov, bliver til hastighedsligningen for varmeoverførsel. I de efterfølgende artikler vil jeg diskutere hastighedsligningerne for de tre grundlæggende former for varmeoverførsel under visse forenklede forhold. Et dybere niveau af undersøgelse er at finde temperaturfordelingen på forskellige punkter i et objekt under forskellige forhold.

Varmeoverførselsstudier og teknisk termodynamik er begge discipliner, der er relateret til termiske fænomener. I Kinas ingeniøruddannelsessektor kaldes disse to kurser samlet for termiske ingeniørkurser. Den grundlæggende forskel mellem disse to videnskabelige områder kan forklares på følgende måde: Teknisk termodynamik studerer systemer i ligevægt, hvor der ikke er nogen temperatur- eller trykforskelle, mens varmeoverførsel netop studerer det modsatte, lovene for varmeoverførsel, der involverer temperaturforskelle. Tænk for eksempel på processen med at afkøle en stålbarre fra 1000 °C i et oliebad til 100 °C. Termodynamikken undersøger varmetabet pr. kg stålbarre under denne afkølingsproces og den varme, der absorberes af oliebadet, men termodynamikken kan ikke fortælle os, hvor lang tid det tager for dette temperatursystem at nå ligevægt. Denne tid afhænger af oliebadets temperatur, oliens bevægelse, oliens fysiske egenskaber osv., hvilket netop er, hvad varmeoverførsel studerer.

På grund af den grundlæggende forskel, der er nævnt ovenfor, er der desuden forskel på de fysiske parametre, der bruges i termodynamik og varmeoverførsel: I termodynamik omfatter fysiske størrelser ikke tid, mens de vigtigste fysiske størrelser i varmeoverførsel er angivet i tid, dvs. at varmeoverførsel er mere optaget af, hvor meget varmeenergi der kan overføres pr. tidsenhed. På den anden side er undersøgelser af varmeoverførsel tæt forbundet med teknisk termodynamik: Analysen af enhver varmeoverførselsproces skal bruge termodynamikkens første lov, dvs. loven om energibevarelse. Termodynamikkens første lov kan anvendes i både lukkede og åbne systemer, hvor hver type system har både stabile og ustabile tilstande. Med hensyn til varmeoverførsel er en såkaldt steady state-proces en proces, hvor temperaturen i hvert punkt i systemet ikke ændrer sig over tid, mens temperaturen i hvert punkt ændrer sig over tid i en unsteady state-proces.

I fremtidige diskussioner om varmeledning i faste stoffer vil vi bruge termodynamikkens første lov for lukkede systemer, mens studiet af konvektiv varmeoverførsel kræver brug af åbne systemer. Når varmeenergi overføres fra et medium til et andet, skal princippet om energibevarelse også anvendes ved grænsefladen mellem de to medier, som f.eks. den nævnte afkølingsproces af en stålblok i et oliebad, ved grænsefladen mellem det faste stof og væsken, uanset om varmeoverførselsprocessen er stabil eller ustabil, mener vi, at den varme, der overføres fra det faste stof til væsken, og den varme, der absorberes af væsken fra det faste stof, er lige store på ethvert givet tidspunkt. Begreberne energibalance og varmebalance, som nævnes i fysik på mellemtrinnet, er faktisk simple udtryk for termodynamikkens første lov.

For advanced and efficient heating solutions using Varmerør af kulfiber that harness the principles of heat transfer, consider Global Quartz Tube, a leader in thermal technology. Visit our internet side eller kontakt os via e-mail på contact@globalquartztube.com for mere information.