Hőátvitel hőmérsékletkülönbségek által vezérelve: Termodinamika és hőátadás: Alkalmazások és különbségek a mérnöki termodinamikában és a hőátadásban

A számtalan világban, ahol élünk, folyamatosan különböző folyamatok zajlanak, az egyik fizikai folyamat, amely az emberi túléléshez a legszorosabban kapcsolódik, a hőenergia átadása. A modern épületek központi légkondicionálásától az olyan természetes időjárási jelenségek kialakulásáig, mint a fagy, az eső és a hó, a légkörbe visszatérő űrhajók hővédelmi kihívásaitól az elektronikus eszközök hatékony hűtéséig, az emberek ruházatának évszakos változásaitól az emberi élelmiszerek fagyasztva tárolásáig mind-mind szorosan kapcsolódnak a hőátadás folyamatához.

A hőátadási tanulmányok olyan tudományág, amely a hőmérsékletkülönbségek által okozott hő- vagy energiaátadás törvényszerűségeit vizsgálja. A termodinamika második törvénye kimondja: ahol hőmérsékletkülönbség van, ott a hő természetszerűleg átadódik egy magasabb hőmérsékletű tárgyból egy alacsonyabb hőmérsékletű tárgyba. Ezt az átadott hőt gyakran hőenergiának nevezik.

A természetben és a gyártástechnológia különböző területein mindenütt léteznek hőmérséklet-különbségek, így a hőátadás nagyon gyakori fizikai jelenség. A természetben például a szeleket a két hely közötti hőmérsékletkülönbség okozza, ami miatt a levegő egy magasabb hőmérsékletű területről egy alacsonyabb hőmérsékletű területre áramlik, amit a Föld forgása tovább befolyásol, így alakul ki a szél. Az óceáni áramlatokat és a tájfunokat szintén a víz vagy a levegő mozgásához vezető hőmérsékletkülönbségek okozzák. Az ipari termelésben a szénszálas fűtőcsövek használata a termékek felmelegítéséhez a hőnek a fűtőcsövekből a felmelegített anyagba történő átvitelét is jelenti, ami szintén a hőátadás folyamata.

Az úgynevezett hőátadási törvények elsősorban az egységnyi idő alatt átadott hőmennyiséget hozzák összefüggésbe a megfelelő hőmérsékletkülönbséggel egy tárgyon belül. Az ezt a törvényt tükröző első szintű összefüggés a hőátadás sebességegyenlete lesz. A következő cikkekben a hőátadás három alapvető módjának sebességegyenleteit fogom megvitatni önökkel bizonyos egyszerűsített feltételek mellett. A tanulmányozás mélyebb szintje a hőmérséklet-eloszlás megállapítása egy tárgyon belüli különböző pontokon különböző körülmények között.

A hőátadási tanulmányok és a mérnöki termodinamika egyaránt a termikus jelenségekkel kapcsolatos tudományágak. A kínai mérnökképzésben ezt a két tantárgyat együttesen hőtechnikai mérnöki tantárgyaknak nevezik. A két tudományterület közötti alapvető különbség a következőképpen magyarázható: A mérnöki termodinamika az egyensúlyban lévő rendszereket tanulmányozza, ahol nincsenek hőmérséklet- vagy nyomáskülönbségek, míg a hőátadás pontosan az ellenkezőjét, a hőmérsékletkülönbségekkel járó hőátadás törvényszerűségeit vizsgálja. Vegyük például azt a folyamatot, amikor egy acélöntvényt olajfürdőben 1000 °C-ról 100 °C-ra hűtünk. A termodinamika azt vizsgálja, hogy a hűtési folyamat során az acéltömb kilogrammonként mennyi hőt veszít, és mennyi hőt vesz fel az olajfürdő, de a termodinamika nem tudja megmondani, hogy mennyi időbe telik, amíg ez a hőmérsékleti rendszer eléri az egyensúlyi állapotot. Ez az idő függ az olajfürdő hőmérsékletétől, az olaj mozgásától, az olaj fizikai tulajdonságaitól stb., amelyek pontosan a hőátadást vizsgálják.

Továbbá a fent említett alapvető különbség miatt különbség van a termodinamikában és a hőátadásban használt fizikai paraméterek között: a termodinamikában a fizikai mennyiségek nem tartalmazzák az időt, míg a hőátadásban a fő fizikai mennyiségek időben vannak megadva, azaz a hőátadás inkább azzal foglalkozik, hogy egységnyi idő alatt mennyi hőenergia adható át. Másrészt a hőátadási vizsgálatok szorosan kapcsolódnak a mérnöki termodinamikához: bármely hőátadási folyamat elemzése során alkalmazni kell a termodinamika első törvényét, azaz az energia megőrzésének törvényét. A termodinamika első törvénye zárt és nyitott rendszerekre egyaránt alkalmazható, és mindegyik rendszertípusnak vannak állandósult és instacionárius állapotai. A hőátadás szempontjából az úgynevezett állandósult állapotú folyamat az, amikor a rendszer egyes pontjainak hőmérséklete nem változik az idő múlásával, míg az instacionárius állapotú folyamatok esetében az egyes pontok hőmérsékletei az idő múlásával változnak.

A szilárd testekben történő hővezetésről szóló jövőbeli vitákban a termodinamika első törvényét zárt rendszerekre fogjuk alkalmazni, míg a konvektív hőátadás tanulmányozásához nyitott rendszerekre van szükség. Továbbá, amikor a hőenergia egyik közegből a másikba kerül, az energiamegmaradás elvét a két közeg közötti határfelületen is alkalmazni kell, mint például egy acélrúd említett hűtési folyamata egy olajfürdőben, a szilárd és a folyadék közötti határfelületen, függetlenül attól, hogy a hőátadási folyamat állandósul vagy nem állandósul, úgy véljük, hogy a szilárd anyagból a folyadékba átadott hő és a folyadék által a szilárd anyagból felvett hő minden adott időpontban egyenlő. A középiskolai fizikában említett energiaegyensúly és hőegyensúly fogalmak valójában a termodinamika első törvényének egyszerű kifejezései.

For advanced and efficient heating solutions using szénszálas fűtőcsövek that harness the principles of heat transfer, consider Global Quartz Tube, a leader in thermal technology. Visit our weboldal vagy vegye fel velünk a kapcsolatot e-mailben a címen contact@globalquartztube.com további információért.