1. Omówić mechanizmy transportu energii wraz z charakterystycznymi dla nich równaniami.

Transport energii od ciała o wyższej temperaturze do ciała o niższej temperaturze to transport ciepła.

Mechanizmy przekazywania ciepła.

Wyróżnia się trzy podstawowe sposoby przekazywania ciepła: przewodzenie, konwekcję i promieniowanie

1. PRZEWODZENIE - przekazywanie energii od jednej cząstki do drugiej, za pośrednictwem ruchu drgającego tych cząstek. Proces ten trwa dopóty, dopóki temperatura ciała nie zostanie wyrównana w całej rozpatrywanej objętości. Dotyczy to bezpośredniego kontaktu ciała z ciałem, części ciała z ciałem.

2. PROMIENIOWANIE - przekazywanie ciepła w postaci energii promieniowania, którego natura jest taka sama jak energii świetlnej. Energia cieplna przekształca się w energię promieniowania, przebywa określoną przestrzeń z prędkością światła, aby w innym miejscu przekształcić się całkowicie lub częściowo w energię cieplną.

3. KONWEKCJA (WNIKANIE) - wiąże się z ruchem konwekcyjnym gazów lub cieczy, wywołanym bądź różnicą gęstości (różnicą temperatur), bądź przez wymuszenie czynnikami zewnętrznymi.

Często przewodzenie ciepła, konwekcyjna i radiacyjna wymiana ciepła występują jednocześnie, lecz w praktyce inżynierskiej na ogół jeden z tych rodzajów wymiany ciepła przeważa nad pozostałymi i może być rozpatrywany odrębnie.

PRZEWODZENIE

Przewodzenie ciepła jest to przekazywanie energii wewnętrznej miedzy bezpośrednio stykającymi sie częściami jednego ciała lub różnych ciał. W płynach przekazywana jest energia kinetyczna atomów i cząsteczek, a w ciałach stałych energia drgań atomów w sieci krystalicznej i w ruchu swobodnych lektronów. Wyłącznie przez przewodzenie odbywa się wymiana ciepła w ciałach stałych nieprzenikliwych dla promieniowania termicznego oraz w płynach, gdy nie występują przemieszczenia względem siebie makroskopowych części płynu (np., gdy płyn jest ogrzewany od góry).

Przewodzenie ciepła - proces wymiany ciepła miedzy częściami ciała o różnej temperaturze, polegajacy na przekazywaniu energii ruchu bezładnego czasteczek w wyniku ich zderzeń. Proces prowadzi do wyrównania temperatury w różnych fragmentach ciała.

Za przewodnictwo cieplne nie uznaje sie przekazywanie energii w wyniku uporządkowanego (makroskopowego) ruchu cząstek.

Ciepło płynie tylko wtedy, gdy występuje różnica temperatur od temperatury wyższej do temperatury niższej, a 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:

5.

Przewodzenie ciepła realizowane jest w zależności od rodzaju ciała dwojako.

Pierwszy mechanizm przewodzenia opiera się na interakcji molekuł o różnych poziomach energetycznych (temperaturach). Molekuły o większej energii przekazują swą energię drgań, sąsiadującym molekułom o mniejszej energii. Proces ten przebiega we wszystkich stanach skupienia, w których występuje różnica temperatury.

Drugi mechanizm przewodzenia ciepła odbywa się za pomocą „wolnych” elektronów i ma znaczenie przede wszystkim w metalach. Koncentracja wolnych elektronów jest większa w czystych metalach niż w stopach metali, stąd są one lepszymi przewodnikami ciepła.

Miarą przekazywanego ciepła jest natężenie strumienia cieplnego q, które wyraża ilość ciepła Q przewodzonego przez jednostkę powierzchni A w jednostce czasu.

q=Q/A [W/m²]

Siłą sprawczą przewodzenia ciepła jest gradient temperatury. Dlatego przewodzenie ciepła nie zachodzi, gdy temperatura w całym ciele jest jednakowa. Strumień ciepła jest wielkością wektorową, charakteryzującą kierunek, zwrot i wielkość przepływu ciepła.

Z zależności wynika, że natężenie strumienia cieplnego jest wprost proporcjonalne do gradientu temperatury mierzonego wzdłuż kierunku przewodzenia ciepła. Jeżeli gradient temperatury jest niezależny od czasu, to proces przewodzenia ciepła jest ustalony. Znak minus we wzorze oznacza, że ciepło płynie w kierunku przeciwnym do wzrastającej temperatury.

4. Opisać podstawy wymiany ciepła przez przewodzenie

KONWEKCJA

Przekazywanie ciepła przez konwekcję polega na wymianie ciepła pomiędzy powierzchnią ciała stałego a stykającym się z tą powierzchnią cieczą lub gazem. Równanie na prędkość wymiany ciepła przez konwekcję zostało zaproponowane przez Newtona w postaci

gdzie:

q - natężenie strumienia ciepła charakteryzujące prędkość konwekcyjnej wymiany ciepła przez jednostkę powierzchni, [W/m²],

ΔT- różnica temperatur pomiędzy powierzchnią ciała stałego a płynem, [K],

α - współczynnik konwekcyjnej wymiany ciepła, [W/m²·K].

Rozróżnia się dwa rodzaje konwekcji: wymuszoną i swobodną. W konwekcji wymuszonej następuje wymuszony ruch płynu spowodowany, na przykład, mieszaniem lub zastosowaniem pompy. W konwekcji swobodnej występuje naturalny ruch płynu wywołany różnicą temperatur (a tym samym różnicą gęstości) płynu w pobliżu powierzchni ciała stałego a płynu oddalonego od ścianki. Zróżnicowanie temperatur powoduje naturalną cyrkulację płynu, obserwowaną na przykład podczas gotowania wody w garnku. Nawet w przypadku turbulentnego przepływu płynu przy powierzchni ciała stałego istnieje zawsze warstwa, w której przepływ jest laminarny. Tak więc cząstki płynu na powierzchni ciała stałego mają prędkość tego ciała. Oznacza to, że mechanizm wymiany ciepła pomiędzy powierzchnią ciała stałego, a płynem musi wiązać się także z przewodzeniem ciepła przez warstwy przypowierzchniowe.

Konwekcja, jako proces:

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.

PROMIENIOWANIE (elektromagnetyczne)

6. Opisać podstawy wymiany ciepła przez promieniowanie

Promieniowanie termiczne polega na wysyłaniu przez ciała o temperaturze wyższej od temperatury zera bezwzględnego fal elektromagnetycznych, takich samych jak fale promieniowania świetlnego, lecz obejmujących cały zakres długości fal od zera do nieskończoności lub selektywnie tylko niektóre długości fal. W wyniku promieniowania termicznego energia wewnętrzna ciała przekształca sie w energie radiacyjną (promieniowania elektromagnetycznego), która po napotkaniu innych ciał lub innych części tego samego ciała częściowo lub całkowicie jest pochłaniana i przekształcana w energię wewnętrzną. Jeżeli ilość energii wypromieniowanej jest różna od ilości energii pochłoniętej przez powierzchnię, to powstaje radiacyjna wymiana ciepła (wymiana ciepła przez promieniowanie). Cechą charakterystyczną radiacyjnej wymiany ciepła jest to, że nie odbywa sie ona między ciałami stykającymi sie, lecz miedzy ciałami rozdzielonymi ośrodkiem przenikliwym dla promieniowania termicznego lub nawet próżnią. Radiacyjna wymiana ciepła może odbywać sie również miedzy bezpośrednio stykającymi się częściami o różnych temperaturach ośrodka emitującego, pochłaniającego i rozpraszającego promieniowanie, tzw. ośrodka optycznie czynnego.

Promieniowanie cieplne (termiczne) to promieniowanie, które emituje ciało mające temperaturę większa od zera bezwzględnego. Promieniowanie to jest fala elektromagnetyczna o określonym widmie częstotliwości. Przykładem promieniowania cieplnego jest podczerwień emitowana przez wszystkie ciała w naszym otoczeniu (mające temperaturę zbliżona do temperatury pokojowej).

Promieniowanie większości ciał, z wyjątkiem rozrzedzonych gazów i barwników, jest do siebie zbliżone posiadając wiele wspólnych cech. Fizycy wprowadzili pojecie ciało doskonale czarne, którego emisja w danej temperaturze jest największa ze wszystkich ciał. Promieniowanie tła też charakteryzuje sie widmem zbliżonym do promieniowania cieplnego

Mechanizm transportu energii przez promieniowanie różni się zasadniczo od przewodzenia i konwekcji, ponieważ w tym przypadku niepotrzebny jest żaden ośrodek przenoszenia energii. Przepływ energii przez promieniowanie osiąga wartość maksymalną, gdy dwie powierzchnie wymieniające energię rozdzielone są idealną próżnią. Dokładny mechanizm przenoszenia energii przez promieniowanie nie jest zupełnie poznany. Wymienia się zarówno falowy, jak i korpuskularny charakter tego transferu. Równanie opisujące gęstość strumienia emisji energii z idealnego źródła promieniowania, czyli tzw. ciała doskonale czarnego, określa prawo Stefana-Boltzmanna

gdzie:

q - strumień energii wypromieniowanej przez jednostkę powierzchni, [W/m²],

T - absolutna temperatura ciała emitującego, [K],

σ₀ - stała Stefana - Boltzmanna, równa 5,672·10^-8[W/m·K].

W zeszycie jest taki wzór

E=σ(T_s-T₂)

---