Prawo Stefana-Boltzmanna opisuje całkowitą moc wypromieniowywaną przez ciało doskonale czarne w danej temperaturze. Zostało opracowane w 1879 przez Jožefa Stefana i Ludwiga Boltzmanna.

gdzie

Φ - strumień energii wypromieniowywany w kierunku prostopadłym do powierzchni ciała [W / m²]

σ - stała Stefana-Boltzmanna

T - temperatura w skali Kelvina

Prawo Fouriera mówi, że gęstość przewodzonego strumienia ciepła jest wprost proporcjonalna do gradientu temperatury ^[1]

lub w postaci skalarnej

, gdzie

• q - natężenie strumienia ciepła,

• λ - współczynnik przewodzenia ciepła, inaczej przewodność cieplna,

• T - temperatura,

• - pochodna temperatury w kierunku prostopadłym do powierzchni izotermicznej

Prawo stygnięcia (prawo stygnięcia Newtona) mówi, że:

"Szybkość z jaką układ stygnie jest proporcjonalna do różnicy temperatur pomiędzy układem a otoczeniem."

Matematycznie można to wyrazić jako:

gdzie:

• T - temperatura ciała;

• T_R - temperatura otoczenia;

• ΔT - różnica temperatur układu i otoczenia;

• t - czas;

• k - stała dla danego układu (zależna m.in. od fizycznej wielkości układu, jego pojemności cieplnej i jego wewnętrznej struktury, przenikalności cieplnej ścianek układu, rodzaju otoczenia).

Liczba Grashofa – jedna z liczb podobieństwa stosowana w wymianie ciepła i w mechanice płynów, wyrażająca stosunek siły wyporu do sił lepkości danego płynu. Swoją nazwę wzięła od nazwiska niemieckiego inżyniera – Franza Grashofa:

• gdzie:

•  g – przyspieszenie ziemskie

•  β – objętościowy współczynnik rozszerzalności objętościowej

•  ΔT – różnica temperatur będąca siłą napędową konwekcji naturalnej (np. między gorącą ścianą a otaczającym ją płynem)

•  l – wymiar charakterystyczny

•  ν – kinematyczny współczynnik lepkości

Liczba Nusselta – w termodynamice jedna z liczb podobieństwa. W ośrodku płynnym wyraża ona stosunek szybkości wymiany ciepła w wyniku konwekcji do szybkości wymiany ciepła w wyniku przewodnictwa cieplnego. Liczbę Nusselta definiuje się zwykle jako:

gdzie:

• α – współczynnik wnikania ciepła [W/(m²K)]

• d – charakterystyczny wymiar liniowy [m]

• λ – współczynnik przewodzenia ciepła [W/mK]

Liczba Prandtla jest jedną z bezwymiarowych liczb podobieństwa używanych w hydrodynamice oraz termodynamice i mechanice ośrodków ciągłych. Wyraża ona stosunek lepkości płynu do jego przewodnictwa cieplnego. Definiuje ją równanie:

gdzie:

• C_p – ciepło właściwe,

• μ – współczynnik lepkości dynamicznej,

• λ – współczynnik przewodzenia ciepła,

• ν – współczynnik lepkości kinematycznej,

• α – stała dyfuzji cieplnej, w przypadku cieczy równa λ / (ρ C_p), gdzie ρ jest gęstością cieczy a C_p jej ciepłem właściwym.

Typowe wartości liczby Prandtla:

• powietrze – 0,691 (0 °C) ; 0,695 (500 °C)

• woda – 13,44 (0 °C) ; 11,16 (5 °C) ; 6,99 (20 °C) ; 4,34 (40 °C) ; 3,00 (60 °C) ; 2,20 (80 °C) ; 1,75 (100 °C)

• olej silnikowy – w granicach od 100 do 40000

• rtęć – 0.015

Lepkość kinematyczna może być uważana za miarę szybkości "dyfuzji pędu"; wówczas liczba Prandtla określa stosunek szybkości dyfuzji pędu do szybkości dyfuzji ciepła. Wysoka wartość liczby Prandla (np. dla olejów silnikowych) oznacza, że w rozprzestrzenianiu się ciepła w płynącym ośrodku dominuje konwekcja. Niska wartość tej liczby (dla płynnych metali) oznacza, że przekaz ciepła następuje głównie w wyniku jego przewodzenia na poziomie molekularnym.

Odpowiednikiem liczby Prandtla w równaniach wnikania masy jest liczba Schmidta.

Nazwa pochodzi od nazwiska Ludwiga Prandtla.

Liczba Reynoldsa (ang. Reynolds number) – jedna z liczb podobieństwa stosowanych w mechanice płynów (hydrodynamice, aerodynamice i reologii). Liczba ta pozwala oszacować występujący podczas ruchu płynu stosunek sił czynnych (sił bezwładności) do sił biernych związanych z tarciem wewnętrznym w płynie przejawiającym się w postaci lepkości.

Liczba Reynoldsa stosowana jest jako podstawowe kryterium stateczności ruchu płynów.

Liczba Reynoldsa zdefiniowana jest w sposób:

lub równoważnie:

gdzie:

• – gęstość płynu (kg/m³),

• – prędkość charakterystyczna płynu (m/s),

• – wymiar charakterystyczny zagadnienia (m),

• – lepkość dynamiczna płynu (Pa·s lub N·s/m² lub kg/m·s),

• – lepkość kinematyczna płynu (m²/s).

Przez prędkość charakterystyczną płynu należy rozumieć prędkość uśrednioną odnoszącą się do całości zagadnienia, a nie wybraną prędkość lokalną. Na przykład przy przepływie przez rurę jest to prędkość średnia w rurze, a nie prędkość w osi rury czy też na jej ściance. Przy opływie kulki jest to prędkość niezaburzonego napływającego strumienia płynu, a nie prędkość na ściance kulki.

Przez wymiar charakterystyczny zagadnienia należy rozumieć wymiar zjawiska o charakterze pewnej odległości mającej bezpośredni wpływ na stateczność ruchu płynu. Na przykład przy przepływie przez rurę okrągłą jest to średnica rury, a nie jej długość, gdyż utrata stateczności ruchu w rurze nie zależy od jej długości lecz od jej średnicy. W przypadku opływu kulki jest to średnica kulki. W przypadku opływu cylindra o dużej długości w porównaniu z jego średnicą jest to średnica cylindra. Niekiedy ustalenie, co jest wymiarem charakterystycznym zagadnienia jest problematyczne i może być przedmiotem kontrowersji, jak na przykład w przypadku przepływu płynu w ośrodku porowatym, w którym występują krzywoliniowe kanały porowe o zmiennej średnicy i krętości.

Gęstość płynu oraz jego lepkość dynamiczna i kinematyczna są parametrami fizycznymi płynu istniejącymi niezależnie od jego ruchu i są one najczęściej jednoznacznie określone w przypadku konkretnej substancji, choć i w tej materii zdarzają się niekiedy wątpliwości i kontrowersje.

Prawo promieniowania temperaturowego - określone w 1859 roku przez Gustawa Roberta Kirchhoffa mówiące, że w ustalonej temperaturze stosunek zdolności emisyjnej ciała do jego zdolności absorpcyjnej jest uniwersalną funkcją, taką samą dla wszystkich ciał. Ze względów historycznych funkcję tę nazywa się funkcją Kirchhoffa

gdzie:

• E(ν,T) - zdolność emisyjna ciała w dziedzinie częstości,

• A(ν,T) - zdolność absorpcyjna ciała w dziedzinie częstości,

• ε(ν,T) - uniwersalna funkcja Kirchoffa.

Z definicji ciała doskonale czarnego, dla którego zdolność absorpcyjna jest dla każdej częstości i w każdej temperaturze jest równa jedności wynika, że funkcja Kirchoffa jest zdolnością emisyjną ciała doskonale czarnego.

Liczba Biota jest to jedna z liczb podobieństwa. Wyraża stosunek oporu przewodzenia ciepła przez ciało do oporu przejmowania ciepła z jego powierzchni. Wykorzystywana głównie do obliczeń w przypadku nieustalonej wymiany ciepła (np. w bezwymiarowej postaci równania przewodzenia ciepła^[1]).

Wyraża się ona wzorem:

gdzie:

• α – współczynnik przejmowania (wnikania) ciepła

• λ – współczynnik przewodzenia ciepła materiału

• l – długość charakterystyczna, która często definiowana jest jako stosunek objętości ciała do jego powierzchni:

• R_λ – opór przewodzenia ciepła

• R_α – opór przejmowania ciepła

Liczba ta wzięła swą nazwę od imienia i nazwiska Jeana Baptiste Biota – francuskiego fizyka.

Przewodzenie ciepła – proces wymiany ciepła między ciałami o różnej temperaturze pozostającymi ze sobą w bezpośrednim kontakcie. Polega on na przekazywaniu energii kinetycznej bezładnego ruchu cząsteczek w wyniku ich zderzeń. Proces prowadzi do wyrównania temperatury między ciałami.

Przewodnictwem cieplnym nie jest przekazywanie energii w wyniku uporządkowanego (makroskopowego) ruchu cząstek.

Ciepło płynie tylko wtedy, gdy występuje różnica temperatur, w kierunku od temperatury wyższej do temperatury niższej. Z dobrym przybliżeniem dla większości substancji ilość energii przekazanej przez jednostkę powierzchni w jednostce czasu jest proporcjonalna do różnicy temperatur, co opisuje równanie różniczkowe Fouriera:

Wzór ten dla jednorodnego przewodzenia ciepła przez cienką ściankę prostopadle do jej powierzchni w kierunku x przyjmuje postać:

gdzie:

• Q - natężenie przepływu ciepła (ilość ciepła wymieniona w jednostce czasu)

• λ - współczynnik przewodzenia ciepła

• A - powierzchnia wymiany ciepła

• T - temperatura

Dla ustalonego przepływu ciepła przez ścianę płaską, po scałkowaniu, równanie Fouriera przyjmuje postać:

gdzie:

• ∆T - różnica temperatur po obu stronach przewodnika ciepła

• d - grubość ścianki przewodnika ciepła

Dla ustalonego przepływu ciepła przez ściankę cylindryczną rury, przyjmuje postać:

gdzie:

• d₂, d₁ - odpowiednio średnica po stronie chłodniejszego i cieplejszego medium

• L - długość rury

Konwekcja – proces przekazywania ciepła związany z makroskopowym ruchem materii w gazie, cieczy bądź plazmie, np. powietrzu, wodzie, plazmie gwiazdowej. Czasami przez konwekcję rozumie się również sam ruch materii związany z różnicami temperatur, który prowadzi do przenoszenia ciepła. Ruch ten precyzyjniej nazywa się prądem konwekcyjnym.

Konwekcja jako proces[edytuj]

Konwekcja jest jednym z kilku mechanizmów transportu energii cieplnej (wymiany ciepła), np. przenoszenie za pomocą dyfuzji molekularnej, dyfuzji turbulencyjnej, adwekcja (przenoszenie, konwekcja) ciepła. Konwekcja jest wydajnym sposobem przekazywania ciepła, ale jednocześnie silnie zależnym od substancji i warunków w jakich zachodzi. Konwekcja w atmosferze i wodzie ma duże znaczenie w kształtowaniu klimatu i pogody na Ziemi.

Wyróżnia się:

• Konwekcję swobodną – ruch płynu jest wywołany różnicami gęstości wywołanymi konwekcją.

• Konwekcję wymuszoną – występuje ruch płynu niewynikający z konwekcji, wywoływany przez czynniki zewnętrzne urządzenia wentylacyjne, wiatr itp.

W układach fizycznych często występuje konwekcja mieszana, będącą złożeniem obu typów konwekcji. Ilość przekazanego ciepła przez konwekcję zależy od szybkości ruchu płynu, dlatego w celu zwiększenia przekazywania ciepła w komputerach, chłodnicach samochodowych itp. stosuje się wentylatory zwiększające prędkość przepływu powietrza.

Promieniowanie cieplne (termiczne) to promieniowanie, które emituje ciało mające temperaturę większą od zera bezwzględnego, gdy znajduje się w stanie równowagi termodynamicznej z promieniowaniem. Promieniowanie to jest falą elektromagnetyczną o określonym widmie częstotliwości. Przykładem promieniowania cieplnego jest podczerwień emitowana przez wszystkie ciała w naszym otoczeniu.

Promieniowanie większości ciał jest do siebie zbliżone, to znaczy – podobny jest kształt widma (rozkład energetyczny wypromieniowywanych fal). Fizycy wprowadzili pojęcie ciała doskonale czarnego, którego emisja w danej temperaturze jest maksymalna. Energia wypromieniowana przez ciała, które nie są doskonale czarne jest mniejsza.

Promieniowanie cieplne danego ciała w określonej temperaturze, jak zauważył Pierre Prévost, nie zależy od obecności innych ciał. W przypadku ciał stałych zależy natomiast głównie od ich powierzchni, np. inna będzie emisja, gdy ciało będzie chropowate, a inna gdy jego powierzchnia zostanie wypolerowana.

Ciało doskonale czarne – pojęcie stosowane w fizyce dla określenia ciała pochłaniającego całkowicie padające na nie promieniowanie elektromagnetyczne, niezależnie od temperatury tego ciała, kąta padania i widma padającego promieniowania. Współczynnik pochłaniania dla takiego ciała jest równy jedności dla dowolnej długości fali.

Ciało doskonale czarne nie istnieje w rzeczywistości, ale dobrym jego modelem jest duża wnęka z niewielkim otworem, pokryta od wewnątrz czarną substancją (np. sadzą). Powierzchnia otworu zachowuje się niemal jak ciało doskonale czarne – promieniowanie wpadające do wnęki odbija się wielokrotnie od jej ścian i jest niemal całkowicie pochłaniane, natomiast parametry promieniowania wychodzącego z jej wnętrza zależą tylko od temperatury wewnątrz wnęki.

Ciało szare – ciało, które pochłania określoną współczynnikiem absorpcji część promieniowania padającego na to ciało bez względu na długość fali padającego promieniowania i temperaturę ciała.

Emisja ciała szarego określona jest wzorem:

gdzie:

– energia emitowana przypadająca na promieniowanie mieszczące się w zakresie częstotliwości od ν do ν + dν na jednostkę powierzchni w jednostce czasu na jednostkę kąta bryłowego,

– względna zdolność emisyjna ciała, współczynnik niezależny od częstotliwości, zależny od temperatury

– energia emitowana przez ciało doskonale czarne,

T – temperatura bezwzględna ciała w kelwinach,

c – prędkość światła w próżni,

k – stała Boltzmanna. Przenikanie to przenoszenie ciepła przez przegrodę. Zjawisko przenikania obejmuje przejmowanie ciepła z jednego ośrodka, przewodzenie przez przegrod ę i przejmowanie ciepła przez drugi ośrodek. Ciepło przenika przez ścianę z ośrodka o temperaturze wyższej t_z1 do ośrodka o temperaturze niższej t_z2.