Lämpötilaerojen aiheuttama lämmönsiirto: Termodynamiikka ja lämmönsiirto: Sovellukset ja erot tekniikan termodynamiikassa ja lämmönsiirrossa

Niissä lukemattomissa maailmoissa, joissa elämme, tapahtuu jatkuvasti erilaisia prosesseja, ja yksi ihmisen selviytymiseen läheisimmin liittyvistä fysikaalisista prosesseista on lämpöenergian siirto. Nykyaikaisten rakennusten keskusilmastoinnista luonnon sääilmiöiden, kuten pakkasen, sateen ja lumen muodostumiseen, ilmakehään palaavien avaruusalusten lämpösuojaushaasteista elektronisten laitteiden tehokkaaseen jäähdytykseen, ihmisten vaatteiden vuodenaikaisvaihteluista ihmisten ruoan pakastevarastointiin, kaikki liittyvät läheisesti lämmönsiirtoprosessiin.

Lämmönsiirtotutkimus on tieteenala, joka tutkii lämpötilaerojen aiheuttaman lämmön tai energian siirtymisen lakeja. Termodynamiikan toinen laki sanoo: aina kun lämpötilaero on olemassa, lämpö siirtyy luonnollisesti korkeamman lämpötilan kohteesta matalamman lämpötilan kohteeseen. Tätä siirtyvää lämpöä kutsutaan usein lämpöenergiaksi.

Lämpötilaeroja esiintyy kaikkialla luonnossa ja tuotantotekniikan eri aloilla, joten lämmönsiirto on hyvin yleinen fysikaalinen ilmiö. Esimerkiksi luonnossa esiintyvät tuulet johtuvat kahden paikan välisistä lämpötilaeroista, jotka saavat ilman virtaamaan korkeamman lämpötilan alueelta matalamman lämpötilan alueelle, ja maapallon pyörimisliike vaikuttaa edelleen tuulen muodostumiseen. Myös merivirrat ja hirmumyrskyt johtuvat lämpötilaeroista, jotka johtavat veden tai ilman liikkumiseen. Teollisessa tuotannossa hiilikuitulämpöputkien käyttäminen tuotteiden lämmittämiseen edellyttää myös lämmön siirtämistä lämpöputkista lämmitettävään materiaaliin, mikä on toinen lämmönsiirtoprosessi.

Niin sanotut lämmönsiirtolainalaisuudet suhteuttavat ensisijaisesti aikayksikköä kohti siirtyvän lämmön määrän vastaavaan lämpötilaeroon kappaleen sisällä. Tätä lakia heijastavasta ensimmäisen tason suhteesta tulee lämmönsiirron nopeusyhtälö. Seuraavissa artikkeleissa käsittelen kanssanne lämmönsiirron kolmen perusmuodon nopeusyhtälöitä tietyissä yksinkertaistetuissa olosuhteissa. Syvemmällä tasolla tutkitaan lämpötilajakaumaa eri pisteissä kappaleen sisällä eri olosuhteissa.

Lämmönsiirtotutkimus ja tekninen termodynamiikka ovat molemmat lämpöilmiöihin liittyviä tieteenaloja. Kiinan insinöörikoulutuksessa näitä kahta kurssia kutsutaan yhteisesti lämpötekniikan kursseiksi. Näiden kahden tieteenalan välinen perusero voidaan selittää seuraavasti: Tekninen termodynamiikka tutkii tasapainossa olevia järjestelmiä, joissa ei ole lämpötilaeroja tai paine-eroja, kun taas lämmönsiirto tutkii juuri päinvastaista eli lämmönsiirron lakeja, joihin liittyy lämpötilaeroja. Tarkastellaan esimerkiksi prosessia, jossa teräsharkko jäähdytetään öljykylvyssä 1000 °C:sta 100 °C:seen. Termodynamiikka tutkii, kuinka paljon lämpöä menetetään kilogrammaa teräsharkkoa kohti tämän jäähdytysprosessin aikana ja kuinka paljon lämpöä öljykylpyyn imeytyy, mutta termodynamiikka ei pysty kertomaan, kuinka kauan kestää, että tämä lämpötilajärjestelmä saavuttaa tasapainotilan. Tämä aika riippuu öljykylvyn lämpötilasta, öljyn liikkeestä, öljyn fysikaalisista ominaisuuksista jne., joita juuri lämmönsiirto tutkii.

Lisäksi edellä mainitun peruseron vuoksi termodynamiikassa ja lämmönsiirrossa käytetyt fysikaaliset parametrit eroavat toisistaan: termodynamiikassa fysikaaliset suureet eivät sisällä aikaa, kun taas lämmönsiirrossa tärkeimmät fysikaaliset suureet ilmaistaan ajassa, eli lämmönsiirrossa on enemmän kyse siitä, kuinka paljon lämpöenergiaa voidaan siirtää aikayksikköä kohti. Toisaalta lämmönsiirtotutkimukset liittyvät läheisesti tekniseen termodynamiikkaan: minkä tahansa lämmönsiirtoprosessin analysoinnissa on käytettävä termodynamiikan ensimmäistä lakia eli energian säilymislakia. Termodynamiikan ensimmäistä lakia voidaan soveltaa sekä suljettuihin että avoimiin järjestelmiin, ja kummassakin järjestelmätyypissä on sekä vakaita että epävakaita tiloja. Lämmönsiirron kannalta niin sanottu vakaan tilan prosessi on sellainen, jossa lämpötila järjestelmän kussakin pisteessä ei muutu ajan mittaan, kun taas epävakaassa tilassa lämpötilat kussakin pisteessä muuttuvat ajan mittaan.

Tulevissa keskusteluissa lämmön johtumisesta kiinteissä aineissa käytämme termodynamiikan ensimmäistä lakia suljetuissa järjestelmissä, kun taas konvektiivisen lämmönsiirron tutkiminen edellyttää avointen järjestelmien käyttöä. Lisäksi kun lämpöenergia siirtyy väliaineesta toiseen, energian säilymisen periaatetta on sovellettava myös näiden kahden väliaineen rajapinnassa, kuten mainitussa teräsharkon jäähdytysprosessissa öljykylvyssä, kiinteän ja nestemäisen aineen rajapinnassa, riippumatta siitä, onko lämmönsiirtoprosessi tasainen vai epävakaa, uskomme, että kiinteästä aineesta nesteeseen siirtyvä lämpö ja nesteen kiinteästä aineesta absorboima lämpö ovat yhtä suuria kaikkina aikoina. Keskikoulun fysiikassa mainitut energiatasapainon ja lämpötasapainon käsitteet ovat itse asiassa yksinkertaisia termejä termodynamiikan ensimmäiselle laille.

For advanced and efficient heating solutions using hiilikuituiset lämmitysputket that harness the principles of heat transfer, consider Global Quartz Tube, a leader in thermal technology. Visit our verkkosivusto tai ota yhteyttä sähköpostitse osoitteeseen contact@globalquartztube.com lisätietoja.