Warmteoverdracht aangedreven door temperatuurverschillen: Toepassingen en verschillen in technische thermodynamica en warmteoverdracht

In de talloze werelden waarin we leven, vinden voortdurend verschillende processen plaats. Een van de fysische processen die het nauwst verbonden zijn met het overleven van de mens is de overdracht van warmte-energie. Van de centrale airconditioning in moderne gebouwen tot de vorming van natuurlijke weersverschijnselen zoals vorst, regen en sneeuw, van de uitdagingen op het gebied van thermische bescherming van ruimtetuigen die terugkeren in de atmosfeer tot de effectieve koeling van elektronische apparaten, van de seizoensgebonden veranderingen in de kleding van mensen tot de bevroren opslag van menselijk voedsel, ze zijn allemaal nauw verbonden met het proces van warmteoverdracht.

Warmteoverdracht is een discipline die de wetten van warmte- of energieoverdracht veroorzaakt door temperatuurverschillen onderzoekt. De tweede wet van de thermodynamica stelt: overal waar een temperatuurverschil is, wordt warmte op natuurlijke wijze overgedragen van een voorwerp met een hogere temperatuur naar een voorwerp met een lagere temperatuur. Deze overgedragen warmte wordt vaak thermische energie genoemd.

Temperatuurverschillen komen overal voor in de natuur en op verschillende gebieden van de productietechnologie, waardoor warmteoverdracht een veel voorkomend natuurkundig verschijnsel is. Winden in de natuur worden bijvoorbeeld veroorzaakt door temperatuurverschillen tussen twee plaatsen, waardoor lucht van een gebied met een hogere temperatuur naar een gebied met een lagere temperatuur stroomt, verder beïnvloed door de rotatie van de aarde om wind te vormen. Oceaanstromingen en tyfoons worden ook veroorzaakt door temperatuurverschillen die leiden tot de beweging van water of lucht. Bij industriële productie, waarbij koolstofvezel verwarmingsbuizen worden gebruikt om producten te verwarmen, wordt de warmte ook overgedragen van de verwarmingsbuizen naar het verwarmde materiaal, wat een ander proces van warmteoverdracht is.

De zogenaamde wetten van warmteoverdracht relateren voornamelijk de hoeveelheid warmte die per tijdseenheid wordt overgedragen aan het bijbehorende temperatuurverschil binnen een voorwerp. De relatie op het eerste niveau die deze wet weerspiegelt, wordt de snelheidsvergelijking van warmteoverdracht. In volgende artikelen zal ik de snelheidsvergelijkingen van de drie basismodi van warmteoverdracht onder bepaalde vereenvoudigde omstandigheden met je bespreken. Een dieper niveau van studie is het vinden van de temperatuurverdeling op verschillende punten in een object onder verschillende omstandigheden.

Warmteoverdracht en thermodynamica zijn beide disciplines die te maken hebben met thermische verschijnselen. In het Chinese ingenieursonderwijs worden deze twee vakken samen thermische ingenieursopleidingen genoemd. Het fundamentele verschil tussen deze twee wetenschapsgebieden kan als volgt worden uitgelegd: Technische thermodynamica bestudeert systemen in evenwicht, waarbij er geen temperatuurverschillen of drukverschillen zijn, terwijl warmteoverdracht precies het tegenovergestelde bestudeert, namelijk de wetten van warmteoverdracht waarbij temperatuurverschillen een rol spelen. Neem bijvoorbeeld het proces van het afkoelen van een staalstaaf van 1000°C in een oliebad tot 100°C. De thermodynamica bestudeert de warmte die verloren gaat per kilogram staalstaaf tijdens dit koelproces en de warmte die geabsorbeerd wordt door het oliebad, maar de thermodynamica kan ons niet vertellen hoe lang het duurt voordat dit temperatuursysteem een evenwicht bereikt. Deze tijd hangt af van de temperatuur van het oliebad, de beweging van de olie, de fysische eigenschappen van de olie, enzovoort.

Bovendien is er, vanwege het bovengenoemde fundamentele verschil, een onderscheid in de fysische parameters die gebruikt worden in thermodynamica en warmteoverdracht: in thermodynamica omvatten fysische grootheden geen tijd, terwijl in warmteoverdracht de belangrijkste fysische grootheden in tijd worden uitgedrukt, d.w.z. warmteoverdracht houdt zich meer bezig met hoeveel warmte-energie er per tijdseenheid overgedragen kan worden. Aan de andere kant zijn warmteoverdrachtstudies nauw verwant aan engineeringsthermodynamica: de analyse van elk warmteoverdrachtsproces moet gebruik maken van de eerste wet van de thermodynamica, d.w.z. de wet van behoud van energie. De eerste wet van de thermodynamica kan worden toegepast op zowel gesloten als open systemen, waarbij elk type systeem zowel stabiele als onstabiele toestanden heeft. Vanuit het perspectief van warmteoverdracht is een zogenaamd stationair proces een proces waarbij de temperatuur op elk punt in het systeem niet verandert in de loop van de tijd, terwijl in een stationair proces de temperaturen op elk punt in de loop van de tijd veranderen.

In toekomstige discussies over warmtegeleiding in vaste stoffen zullen we de Eerste Hoofdwet van de thermodynamica gebruiken voor gesloten systemen, terwijl de studie van convectieve warmteoverdracht het gebruik van open systemen vereist. Bovendien, als warmte-energie wordt overgedragen van het ene medium naar het andere, moet het principe van energiebehoud ook worden toegepast op het grensvlak tussen de twee media, zoals het genoemde afkoelingsproces van een stalen staaf in een oliebad, op het grensvlak tussen de vaste stof en de vloeistof, of het warmteoverdrachtsproces nu stabiel of onregelmatig is, we geloven dat de warmte die wordt overgedragen van de vaste stof naar de vloeistof en de warmte die wordt geabsorbeerd door de vloeistof uit de vaste stof op elk gegeven moment gelijk zijn. De begrippen energiebalans en thermisch evenwicht die in de natuurkunde op de middelbare school worden genoemd, zijn eigenlijk eenvoudige termen voor de eerste wet van de thermodynamica.

Voor geavanceerde en efficiënte verwarmingsoplossingen met koolstofvezel verwarmingsbuizen die gebruikmaken van de principes van warmteoverdracht, overweeg dan Global Quartz Tube, een leider in thermische technologie. Bezoek onze website of neem contact met ons op via e-mail op contact@globalquartztube.com voor meer informatie.