Transferul de căldură determinat de diferențele de temperatură: Aplicații și distincții în termodinamica inginerească și transferul de căldură

În multitudinea de lumi în care trăim, diferite procese au loc în mod constant, iar unul dintre procesele fizice cele mai strâns legate de supraviețuirea oamenilor este transferul de energie termică. De la aerul condiționat central din clădirile moderne la formarea fenomenelor meteorologice naturale precum înghețul, ploaia și zăpada, de la provocările legate de protecția termică a navelor spațiale care reintră în atmosferă la răcirea eficientă a dispozitivelor electronice, de la schimbările sezoniere ale hainelor oamenilor la depozitarea înghețată a alimentelor umane, toate sunt strâns legate de procesul de transfer de căldură.

Studiul transferului de căldură este o disciplină care investighează legile transferului de căldură sau energie cauzat de diferențele de temperatură. A doua lege a termodinamicii stipulează: oriunde există o diferență de temperatură, căldura se transferă în mod natural de la un obiect cu temperatură mai ridicată la un obiect cu temperatură mai scăzută. Această căldură transferată este adesea denumită energie termică.

Diferențele de temperatură există pretutindeni în natură și în diverse domenii ale tehnologiei de producție, făcând din transferul de căldură un fenomen fizic foarte comun. De exemplu, vânturile din natură sunt cauzate de diferențele de temperatură dintre două locuri, ceea ce face ca aerul să circule dintr-o zonă cu temperatură mai ridicată către o zonă cu temperatură mai scăzută, influențat în continuare de rotația Pământului pentru a forma vântul. Curenții oceanici și taifunurile sunt, de asemenea, cauzate de diferențele de temperatură care conduc la mișcarea apei sau a aerului. În producția industrială, utilizarea tuburilor de încălzire din fibră de carbon pentru încălzirea produselor implică, de asemenea, transferul căldurii de la tuburile de încălzire la materialul încălzit, care este un alt proces de transfer de căldură.

Așa-numitele legi ale transferului de căldură relaționează în primul rând cantitatea de căldură transferată pe unitatea de timp cu diferența de temperatură corespunzătoare în interiorul unui obiect. Relația de prim nivel care reflectă această lege devine ecuația ratei de transfer a căldurii. În articolele următoare, voi discuta cu dumneavoastră ecuațiile de viteză ale celor trei moduri de bază ale transferului de căldură în anumite condiții simplificate. Un nivel mai aprofundat de studiu constă în găsirea distribuției temperaturii în diferite puncte din interiorul unui obiect în diferite condiții.

Studiul transferului de căldură și termodinamica inginerească sunt ambele discipline legate de fenomenele termice. În sectorul educației inginerești din China, aceste două cursuri sunt denumite în mod colectiv cursuri de inginerie termică. Diferența fundamentală dintre aceste două domenii ale științei poate fi explicată după cum urmează: Termodinamica inginerească studiază sistemele în echilibru, în care nu există diferențe de temperatură sau de presiune, în timp ce transferul de căldură studiază exact opusul, legile transferului de căldură care implică diferențe de temperatură. De exemplu, ia în considerare procesul de răcire a unui lingou de oțel de la 1000°C într-o baie de ulei la 100°C. Termodinamica studiază căldura pierdută pe kilogram de lingou de oțel în timpul acestui proces de răcire și căldura absorbită de baia de ulei, dar termodinamica nu ne poate spune cât timp este necesar pentru ca acest sistem de temperatură să ajungă la echilibru. Acest timp depinde de temperatura băii de ulei, de mișcarea uleiului, de proprietățile fizice ale uleiului etc., care sunt tocmai ceea ce studiază transferul de căldură.

În plus, datorită diferenței fundamentale menționate mai sus, există o distincție între parametrii fizici utilizați în termodinamică și în transferul de căldură: în termodinamică, mărimile fizice nu includ timpul, în timp ce în transferul de căldură, principalele mărimi fizice sunt denumite în timp, adică transferul de căldură este mai preocupat de câtă energie termică poate fi transferată pe unitate de timp. Pe de altă parte, studiile privind transferul de căldură sunt strâns legate de termodinamica inginerească: analiza oricărui proces de transfer de căldură trebuie să utilizeze prima lege a termodinamicii, adică legea conservării energiei. Prima lege a termodinamicii poate fi aplicată atât în sisteme închise, cât și în sisteme deschise, fiecare tip de sistem având atât stări staționare, cât și nestaționare. Din perspectiva transferului de căldură, un așa-numit proces în stare stabilă este un proces în care temperatura în fiecare punct al sistemului nu se modifică în timp, în timp ce într-un proces în stare instabilă, temperaturile în fiecare punct se modifică în timp.

În discuțiile viitoare privind conducția căldurii în solide, vom utiliza prima lege a termodinamicii pentru sistemele închise, în timp ce studiul transferului convectiv de căldură necesită utilizarea sistemelor deschise. În plus, atunci când energia termică se transferă de la un mediu la altul, principiul conservării energiei trebuie aplicat și la interfața dintre cele două medii, cum ar fi procesul menționat de răcire a unui lingou de oțel într-o baie de ulei, la interfața dintre solid și lichid, indiferent dacă procesul de transfer de căldură este constant sau nestaționar, considerăm că căldura transferată de la solid la lichid și căldura absorbită de lichid de la solid sunt egale la un moment dat. Noțiunile de echilibru energetic și echilibru termic menționate în fizica din gimnaziu sunt de fapt termeni simpli pentru prima lege a termodinamicii.

Pentru soluții avansate și eficiente de încălzire folosind tuburi de încălzire din fibră de carbon care exploatează principiile transferului de căldură, luați în considerare Global Quartz Tube, un lider în tehnologia termică. Vizitați site-ul nostru site-ul web sau contactați-ne prin e-mail la contact@globalquartztube.com pentru mai multe informații.