Temperatuurierinevustest tingitud soojusülekanne: Termodünaamika ja soojusülekanne: rakendused ja erinevused tehnilises termodünaamikas ja soojusülekandes

Arvukates maailmades, kus me elame, toimuvad pidevalt mitmesugused protsessid, millest üks inimese ellujäämisega kõige tihedamalt seotud füüsikalisi protsesse on soojusenergia ülekanne. Alates tänapäevaste hoonete keskkliimaseadmetest kuni looduslike ilmastikunähtuste, nagu külm, vihm ja lumi, tekkimiseni, alates atmosfääri sisenevate kosmosesõidukite soojuskaitseprobleemidest kuni elektroonikaseadmete tõhusa jahutamiseni, alates inimeste riietuse hooajalistest muutustest kuni inimtoitude külmutatud säilitamiseni - kõik need on tihedalt seotud soojusülekande protsessiga.

Soojusülekande uuringud on teadusharu, mis uurib temperatuurierinevuste põhjustatud soojus- või energiaülekande seadusi. Termodünaamika teine seadus sätestab, et kõikjal, kus on temperatuurierinevus, kandub soojus loomulikult üle kõrgema temperatuuriga objektist madalama temperatuuriga objektile. Seda ülekantud soojust nimetatakse sageli soojusenergiaks.

Temperatuurierinevused esinevad kõikjal looduses ja erinevates tootmistehnoloogiavaldkondades, mistõttu on soojusülekanne väga levinud füüsikaline nähtus. Näiteks tuuled looduses on põhjustatud kahe koha vahelistest temperatuurierinevustest, mis põhjustavad õhu voolu kõrgema temperatuuriga piirkonnast madalama temperatuuriga piirkonda, mida Maa pöörlemine mõjutab tuule moodustamiseks. Ookeanivoolude ja taifuunide põhjuseks on samuti temperatuurierinevused, mis põhjustavad vee või õhu liikumist. Tööstuslikus tootmises hõlmab süsinikkiust küttetorude kasutamine toodete soojendamiseks ka soojuse ülekandmist küttetorudest soojendatavale materjalile, mis on veel üks soojusülekande protsess.

Nn soojusülekande seadused seovad peamiselt ajaühiku kohta ülekantava soojuse koguse ja vastava temperatuurierinevuse objekti sees. Seda seadust kajastavast esmatasandi seosest saab soojusülekande kiiruse võrrand. Järgnevates artiklites arutan koos teiega kolme põhilise soojusülekande viisi kiiruse võrrandeid teatud lihtsustatud tingimustel. Sügavamal tasandil uuritakse temperatuuri jaotumist erinevates punktides objekti sees erinevates tingimustes.

Soojusülekande uuringud ja insener-tehniline termodünaamika on mõlemad soojusnähtustega seotud distsipliinid. Hiina insenerihariduse sektoris nimetatakse neid kahte kursust ühiselt soojusenergeetika kursusteks. Nende kahe teadusvaldkonna põhimõttelist erinevust võib selgitada järgmiselt: Tehniline termodünaamika uurib tasakaalus olevaid süsteeme, kus puuduvad temperatuuri- või rõhuerinevused, samas kui soojusülekanne uurib just vastupidist, st soojusülekande seadusi, mis hõlmavad temperatuurierinevusi. Võtame näiteks terasevaluploki jahutamise protsessi 1000 °C-lt õlivannis 100 °C-le. Termodünaamika uurib selle jahutusprotsessi käigus terasevaluploki kilogrammi kohta kaotatud soojust ja õlivanni poolt neeldunud soojust, kuid termodünaamika ei saa öelda, kui kaua kulub aega, et see temperatuurisüsteem jõuaks tasakaalu. See aeg sõltub õlivanni temperatuurist, õli liikumisest, õli füüsikalistest omadustest jne, mis on just see, mida soojusülekanne uurib.

Lisaks sellele on eespool nimetatud põhimõttelise erinevuse tõttu termodünaamikas ja soojusülekandes kasutatavate füüsikaliste parameetrite vahel erinevus: termodünaamikas ei sisalda füüsikalised suurused aega, samas kui soojusülekandes on peamised füüsikalised suurused väljendatud ajas, st soojusülekandes käsitletakse rohkem seda, kui palju soojusenergiat saab ajaühiku kohta üle kanda. Teisest küljest on soojusülekande uuringud tihedalt seotud insener-tehnilise termodünaamikaga: iga soojusülekande protsessi analüüsimisel tuleb kasutada termodünaamika esimest seadust, st energia säilimise seadust. Esimest termodünaamika seadust saab rakendada nii suletud kui ka avatud süsteemide puhul, kusjuures mõlemat tüüpi süsteemidel on nii püsiv kui ka ebastabiilne seisund. Soojusülekande seisukohalt on nn püsiva seisundi protsess selline, kus temperatuur süsteemi igas punktis ei muutu aja jooksul, samas kui ebastabiilse seisundi protsessis muutuvad temperatuurid igas punktis aja jooksul.

Tulevikus tahkete kehade soojusjuhtivuse üle peetavates aruteludes kasutame termodünaamika esimest seadust suletud süsteemide puhul, samas kui konvektiivse soojusülekande uurimiseks on vaja kasutada avatud süsteeme. Lisaks sellele tuleb soojusenergia ülekandmisel ühest keskkonnast teise rakendada energia säilimise põhimõtet ka kahe keskkonna vahelisel piiril, näiteks mainitud terasevaluploki jahutusprotsessis õlivannis, tahke aine ja vedeliku vahelisel piiril, olenemata sellest, kas soojusülekande protsess on püsiv või ebastabiilne, usume, et tahkest ainest vedelikku ülekantav soojus ja vedeliku poolt tahkest ainest neelatud soojus on igal ajahetkel võrdsed. Keskkoolifüüsikas mainitud mõisted energiabilanss ja soojusbilanss on tegelikult lihtsad terminid termodünaamika esimesele seadusele.

For advanced and efficient heating solutions using süsinikkiust küttetorud that harness the principles of heat transfer, consider Global Quartz Tube, a leader in thermal technology. Visit our veebisait või võtke meiega ühendust e-posti teel aadressil contact@globalquartztube.com lisateabe saamiseks.