Konvektion gegen Leitung
Konvektion gegen Leitung
Bei der Wärmeleitung wird Energie entweder durch die Migration freier Elektronen oder durch Gitterschwingungswellen ( Phononen ) als Wärme übertragen . Es gibt keine Massenbewegung in Richtung des Energieflusses. Die Wärmeübertragung durch Wärmeleitung hängt von der treibenden „Kraft“ der Temperaturdifferenz ab.
Im Allgemeinen ist Konvektion entweder der Stoffübergang oder der Wärmeübergang aufgrund der Massenbewegung von Molekülen in Flüssigkeiten wie Gasen und Flüssigkeiten.
Leitung und Konvektion sind insofern ähnlich, als beide Mechanismen die Anwesenheit eines materiellen Mediums erfordern (im Vergleich zur Wärmestrahlung). Andererseits unterscheiden sie sich darin, dass die Konvektion das Vorhandensein einer Flüssigkeitsbewegung erfordert.
Es muss betont werden , dass der Energiefluss an der Oberfläche nur durch Leitung erfolgt, selbst bei Leitung. Dies liegt daran, dass sich auf der Wärmeübertragungsfläche immer eine dünne, stehende Flüssigkeitsfilmschicht befindet . In den nächsten Schichten treten jedoch sowohl Leitungs- als auch Diffusionsmassenbewegungen auf molekularer oder makroskopischer Ebene auf. Aufgrund der Massenbewegung ist die Energieübertragungsrate höher. Je höher die Geschwindigkeit der Massenbewegung ist, desto dünner ist die stagnierende Flüssigkeitsfilmschicht und desto höher ist die Wärmestromrate.
Es muss angemerkt werden, dass das sieden von Keimen an der Oberfläche diese stagnierende Schicht effektiv stört und daher das sieden von Keimen die Fähigkeit einer Oberfläche, Wärmeenergie auf Massenflüssigkeit zu übertragen, signifikant erhöht.
Wie geschrieben wurde, erfolgt die Wärmeübertragung durch ein Fluid durch Konvektion in Gegenwart einer Massenbewegung und durch Wärmeleitung in Abwesenheit davon. Daher kann die Wärmeleitung in einem Fluid als der Grenzfall der Konvektion angesehen werden, der dem Fall eines ruhenden Fluids entspricht.
Konvektion als Leitung mit flüssiger Bewegung
Einige Experten betrachten die Konvektion nicht als einen grundlegenden Mechanismus der Wärmeübertragung, da es sich im Wesentlichen um eine Wärmeleitung bei Vorhandensein einer Flüssigkeitsbewegung handelt. Sie betrachten es als einen Sonderfall der Wärmeleitung , der als „ Leitung mit Flüssigkeitsbewegung “ bekannt ist. Andererseits ist es praktisch , die Konvektion trotz der gültigen gegenteiligen Argumente als separaten Wärmeübertragungsmechanismus zu erkennen.
Was ist Leitung?
Die Wärmeleitung , auch Wärmeleitung genannt , erfolgt innerhalb eines Körpers oder zwischen zwei miteinander in Kontakt stehenden Körpern ohne Beteiligung von Massenstrom und Vermischung. Es ist der direkte mikroskopische Austausch der kinetischen Energie von Partikeln durch die Grenze zwischen zwei Systemen. Die Wärmeübertragung durch Wärmeleitung hängt von der treibenden „Kraft“ der Temperaturdifferenz und der Wärmeleitfähigkeit (oder dem Widerstand gegen Wärmeübertragung) ab. Die Wärmeleitfähigkeit hängt von der Art und den Abmessungen des Wärmeübertragungsmediums ab. Alle Wärmeübertragungsprobleme betreffen die Temperaturdifferenz , die Geometrieund die physikalischen Eigenschaften des untersuchten Objekts. Bei Leitungswärmeübertragungsproblemen ist das untersuchte Objekt normalerweise ein Feststoff.
Mikroskopisch wird diese Art der Energieübertragung auf den freien Elektronenfluss von höheren zu niedrigeren Energieniveaus, Gittervibrationen und molekulare Kollisionen zurückgeführt . Stellen Sie sich einen Steinblock mit hoher Temperatur vor, der aus Atomen besteht, die stark um ihre Durchschnittspositionen schwingen. Bei niedrigen Temperaturen schwingen die Atome weiter, jedoch mit geringerer Intensität . Wenn ein heißerer Steinblock mit einem kühleren Block in Kontakt gebracht wird, geben die stark oszillierenden Atome am Rand des heißeren Blocks ihre kinetische Energie an die weniger oszillierenden Atome am Rand des kühlen Blocks ab. In diesem Fall findet eine Energieübertragung zwischen diesen beiden Blöcken und statt Durch diese zufälligen Vibrationen fließt Wärme vom heißeren zum kühleren Block. Die moderne Sichtweise besteht darin, den Energietransfer Gitterwellen zuzuschreiben, die durch atomare Bewegung induziert werden. Bei elektrischen Isolatoren erfolgt die Energieübertragung ausschließlich über diese Gitterwellen. In einem Leiter liegt es auch an der Translationsbewegung der freien Elektronen.
Fourier’sches Gesetz der Wärmeleitung
Wärmeübertragungsprozesse können anhand geeigneter Geschwindigkeitsgleichungen quantifiziert werden. Die Geschwindigkeitsgleichung in diesem Wärmeübertragungsmodus basiert auf dem Fourier-Gesetz der Wärmeleitung . Dieses Gesetz besagt, dass die zeitliche Wärmeübertragungsrate durch ein Material proportional zum negativen Temperaturgradienten und zu der Fläche im rechten Winkel zu dem Gradienten ist, durch den die Wärme fließt. Seine unterschiedliche Form ist:
Was ist Konvektion?
Im Allgemeinen ist Konvektion entweder der Stoffübergang oder der Wärmeübergang aufgrund der Massenbewegung von Molekülen in Flüssigkeiten wie Gasen und Flüssigkeiten. Obwohl Flüssigkeiten und Gase im Allgemeinen keine sehr guten Wärmeleiter sind, können sie durch Konvektion recht schnell Wärme übertragen .
Die Konvektion erfolgt durch Advektion , Diffusion oder beides. In den meisten Festkörpern kann keine Konvektion stattfinden, da weder eine signifikante Diffusion von Materie noch ein Massenstromfluss stattfinden kann. Die Wärmediffusion findet in starren Festkörpern statt, dies wird jedoch als Wärmeleitung bezeichnet .
Der Prozess der Wärmeübertragung zwischen einer Oberfläche und einem in Kontakt mit ihr fließenden Fluid wird als konvektive Wärmeübertragung bezeichnet . In der Technik ist die konvektive Wärmeübertragung einer der Hauptmechanismen der Wärmeübertragung . Wenn Wärme durch eine Barriere von einer Flüssigkeit auf eine andere übertragen werden soll, kommt es auf beiden Seiten der Barriere zu Konvektion. In den meisten Fällen ist der Hauptwiderstand gegen den Wärmefluss die Konvektion. Die konvektive Wärmeübertragung erfolgt sowohl durch Wärmediffusion (zufällige Bewegung von Fluidmolekülen) als auch durch Advektion, bei der Materie oder Wärme durch die Bewegung von Strömen in größerem Maßstab in der Flüssigkeit transportiert wird.
Die Wärmeübertragung durch Konvektion ist schwieriger zu analysieren als die Wärmeübertragung durch Wärmeleitung, da keine einzige Eigenschaft des Wärmeübertragungsmediums wie die Wärmeleitfähigkeit definiert werden kann, um den Mechanismus zu beschreiben. Die konvektive Wärmeübertragung wird durch die Tatsache erschwert, dass sie sowohl eine Flüssigkeitsbewegung als auch eine Wärmeleitung beinhaltet . Die Wärmeübertragung durch Konvektion variiert von Situation zu Situation (abhängig von den Fluidströmungsbedingungen) und ist häufig mit der Art des Fluidstroms gekoppelt . Bei erzwungener Konvektion ist die Wärmeübertragungsrate durch ein Fluid durch Konvektion viel höher als durch Wärmeleitung.
Newtons Gesetz der Kühlung
Trotz der Komplexität der Konvektion wird beobachtet, dass die Geschwindigkeit der Konvektionswärmeübertragung proportional zur Temperaturdifferenz ist und bequem durch das Newtonsche Gesetz der Kühlung ausgedrückt wird , das besagt, dass:
Die Wärmeverlustrate eines Körpers ist direkt proportional zur Temperaturdifferenz zwischen dem Körper und seiner Umgebung, vorausgesetzt, die Temperaturdifferenz ist gering und die Art der strahlenden Oberfläche bleibt gleich.
Man beachte , dass & Delta; T durch die Oberfläche gegeben wird oder Wandtemperatur , T Wand und die Massetemperatur , T ∞ , die die Temperatur des Fluids von der Oberfläche ausreichend weit ist.
Beispiel – Konvektion gegen Leitung
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Dieser Artikel basiert auf der maschinellen Übersetzung des englischen Originalartikels. Weitere Informationen finden Sie im Artikel auf Englisch. Sie können uns helfen. Wenn Sie die Übersetzung korrigieren möchten, senden Sie diese bitte an: [email protected] oder füllen Sie das Online-Übersetzungsformular aus. Wir bedanken uns für Ihre Hilfe und werden die Übersetzung so schnell wie möglich aktualisieren. Danke.
