Värmeöverföring som drivs av temperaturskillnader: Tillämpningar och distinktioner inom teknisk termodynamik och värmeöverföring

I de otaliga världar där vi lever pågår ständigt olika processer, och en av de fysiska processer som är närmast förknippad med människans överlevnad är överföringen av värmeenergi. Från den centrala luftkonditioneringen i moderna byggnader till uppkomsten av naturliga väderfenomen som frost, regn och snö, från utmaningarna med termiskt skydd för rymdfarkoster som återinträder i atmosfären till effektiv kylning av elektroniska apparater, från årstidsväxlingarna i människors kläder till frysförvaring av livsmedel - allt är nära relaterat till värmeöverföringsprocessen.

Värmeöverföringsstudier är en disciplin som undersöker lagarna för värme- eller energiöverföring som orsakas av temperaturskillnader. Termodynamikens andra huvudsats säger att överallt där det finns en temperaturskillnad överförs värme naturligt från ett objekt med högre temperatur till ett objekt med lägre temperatur. Denna överförda värme kallas ofta för termisk energi.

Temperaturskillnader finns överallt i naturen och inom olika områden av produktionstekniken, vilket gör värmeöverföring till ett mycket vanligt fysiskt fenomen. Till exempel orsakas vindar i naturen av temperaturskillnader mellan två platser, vilket gör att luft strömmar från ett område med högre temperatur till ett område med lägre temperatur, vilket ytterligare påverkas av jordens rotation för att bilda vind. Havsströmmar och tyfoner orsakas också av temperaturskillnader som leder till att vatten eller luft förflyttas. Inom industriell produktion innebär användning av kolfibervärmerör för att värma upp produkter också att värmen överförs från värmerören till det uppvärmda materialet, vilket är en annan process för värmeöverföring.

De så kallade värmeöverföringslagarna relaterar i första hand den mängd värme som överförs per tidsenhet till motsvarande temperaturskillnad inom ett objekt. Den första nivåns relation som återspeglar denna lag blir hastighetsekvationen för värmeöverföring. I senare artiklar kommer jag att diskutera hastighetsekvationerna för de tre grundläggande formerna av värmeöverföring under vissa förenklade förhållanden. En djupare nivå av studier är att hitta temperaturfördelningen vid olika punkter inom ett objekt under olika förhållanden.

Värmeöverföringsstudier och teknisk termodynamik är båda discipliner som är relaterade till termiska fenomen. Inom den kinesiska ingenjörsutbildningen kallas dessa två kurser gemensamt för kurser i värmeteknik. Den grundläggande skillnaden mellan dessa två vetenskapsområden kan förklaras på följande sätt: Teknisk termodynamik studerar system i jämvikt, där det inte finns några temperaturskillnader eller tryckskillnader, medan värmeöverföring studerar precis motsatsen, lagarna för värmeöverföring som involverar temperaturskillnader. Som exempel kan nämnas processen att kyla ett stålgöt från 1000°C i ett oljebad till 100°C. Termodynamiken studerar värmeförlusten per kilo stålgöt under denna kylprocess och den värme som absorberas av oljebadet, men termodynamiken kan inte säga hur lång tid det tar för detta temperatursystem att nå jämvikt. Denna tid beror på oljebadets temperatur, oljans rörelse, oljans fysikaliska egenskaper etc., vilket är just vad värmeöverföring studerar.

På grund av den grundläggande skillnad som nämns ovan finns det dessutom en skillnad i de fysiska parametrar som används inom termodynamik och värmeöverföring: inom termodynamik inkluderar fysiska storheter inte tid, medan de viktigaste fysiska storheterna inom värmeöverföring anges i tid, dvs. värmeöverföring handlar mer om hur mycket värmeenergi som kan överföras per tidsenhet. Å andra sidan är studier av värmeöverföring nära relaterade till teknisk termodynamik: analysen av alla värmeöverföringsprocesser måste använda termodynamikens första huvudsats, dvs. lagen om energibevarande. Termodynamikens första huvudsats kan tillämpas i både slutna och öppna system, där varje typ av system har både stabila och instabila tillstånd. När det gäller värmeöverföring är ett så kallat stationärt tillstånd en process där temperaturen vid varje punkt i systemet inte förändras över tiden, medan temperaturen vid varje punkt förändras över tiden i en process med instabilt tillstånd.

I framtida diskussioner om värmeledning i fasta ämnen kommer vi att använda termodynamikens första huvudsats för slutna system, medan studiet av konvektiv värmeöverföring kräver användning av öppna system. Dessutom, när värmeenergi överförs från ett medium till ett annat, måste principen om energibevarande också tillämpas vid gränssnittet mellan de två medierna, såsom den nämnda kylprocessen av ett stålgöt i ett oljebad, vid gränssnittet mellan det fasta ämnet och vätskan, oavsett om värmeöverföringsprocessen är stadig eller ostadig, tror vi att värmen som överförs från det fasta ämnet till vätskan och värmen som absorberas av vätskan från det fasta ämnet är lika vid varje given tidpunkt. Begreppen energibalans och värmebalans som nämns i fysiken på mellanstadiet är i själva verket enkla termer för termodynamikens första huvudsats.

For advanced and efficient heating solutions using värmerör av kolfiber that harness the principles of heat transfer, consider Global Quartz Tube, a leader in thermal technology. Visit our hemsida eller kontakta oss via e-post på contact@globalquartztube.com för mer information.