Introduktion till värmeöverföring Hur fungerar värmeöverföring?

Vad är värme? Hur sker värmeöverföring? Vilka är effekterna på materien när värme överförs från en kropp till en annan? Här är vad du behöver veta:

Definition av värmeöverföring

Värmeöverföring är en process där intern energi från ett ämne överförs till ett annat ämne. Termodynamik är studien av värmeöverföring och de förändringar som följer av den. Förståelse av värmeöverföring är avgörande för att analysera en termodynamisk process, till exempel de som sker i värmemotorer och värmepumpar.

Former för värmeöverföring

Enligt den kinetiska teorin genereras ett ämnes interna energi från rörelsen hos enskilda atomer eller molekyler. Värmeenergi är den form av energi som överför denna energi från en kropp eller system till en annan. Denna värmeöverföring kan ske på flera sätt:

• Ledning är när värme flyter genom ett uppvärmt fast ämne genom en värmeström som rör sig genom materialet. Du kan se ledningen när du värmer upp en spis med brännare eller en metallstång, som går från röd het till vit varm.
• Konvektion är när uppvärmda partiklar överför värme till en annan substans, till exempel att laga något i kokande vatten.
• Strålning är när värme överförs genom elektromagnetiska vågor, till exempel från solen. Strålning kan överföra värme genom tomt utrymme, medan de andra två metoderna kräver någon form av materiell-till-materia-kontakt för överföringen.

För att två ämnen ska påverka varandra måste de vara i termisk kontakt med varandra. Om du lämnar ugnen öppen när den är påslagen och står flera fötter framför den, är du i termisk kontakt med ugnen och känner av värmen den överför till dig (genom konvektion genom luften).

Normalt känner du naturligtvis inte värmen från ugnen när du är flera meter bort och det beror på att ugnen har det värmeisolering för att hålla värmen inuti den och därmed förhindra termisk kontakt med utsidan av ugnen. Detta är naturligtvis inte perfekt, så om du står i närheten känner du lite värme från ugnen.

Termisk jämvikt är när två föremål som är i termisk kontakt inte längre överför värme mellan dem.

Effekter av värmeöverföring

Den grundläggande effekten av värmeöverföring är att partiklarna i en substans kolliderar med partiklarna av en annan substans. Den mer energiska substansen kommer vanligtvis att förlora intern energi (dvs "svalna") medan den mindre energiska substansen kommer att få intern energi (dvs. "värma upp").

Den mest uppenbara effekten av detta i vårt dagliga liv är en fasövergång, där ett ämne förändras från ett tillstånd till ämnet, till exempel is som smälter från ett fast ämne till en vätska när det absorberar värme. Vattnet innehåller mer inre energi (dvs vattenmolekylerna rör sig snabbare) än i isen.

Dessutom går många ämnen igenom antingen termisk expansion eller termisk sammandragning när de får och förlorar intern energi. Vatten (och andra vätskor) expanderar ofta när det fryser, vilket vem som helst som har lagt en drink med locket i frysen för länge har upptäckt.

Värmekapacitet

De värmekapacitet av ett objekt hjälper till att definiera hur objektets temperatur reagerar på att absorbera eller överföra värme. Värmekapacitet definieras som värmeförändringen dividerad med temperaturförändringen.

Thermodynamics lagar

Värmeöverföring styrs av några grundläggande principer som har blivit kända som termodynamikens lagar, som definierar hur värmeöverföring relaterar till arbete som utförs av ett system och sätter några begränsningar för vad det är möjligt för ett system att uppnå.

Redigerad av Anne Marie Helmenstine, Ph.D.