Leitung – Konvektion – Strahlung
Die Wärmeübertragung ist eine technische Disziplin, die die Erzeugung, Nutzung, Umwandlung und den Austausch von Wärme (Wärmeenergie) zwischen physikalischen Systemen betrifft. In der Energietechnik werden Schlüsselparameter und Materialien von Wärmetauschern bestimmt. Die Wärmeübertragung wird normalerweise in verschiedene Mechanismen eingeteilt, wie z.
- Wärmeleitung . Die Wärmeleitung, auch Diffusion genannt, erfolgt innerhalb eines Körpers oder zwischen zwei miteinander in Kontakt stehenden Körpern. Es ist der direkte mikroskopische Austausch der kinetischen Energie von Partikeln durch die Grenze zwischen zwei Systemen. Wenn sich ein Objekt auf einer anderen Temperatur befindet als ein anderer Körper oder seine Umgebung
- Wärmekonvektion . Die Wärmekonvektion hängt von der Bewegung der Masse von einem Raumbereich zum anderen ab. Wärmekonvektion tritt auf, wenn der Massenstrom eines Fluids (Gas oder Flüssigkeit) Wärme zusammen mit dem Materiestrom in dem Fluid transportiert.
- Wärmestrahlung . Strahlung ist Wärmeübertragung durch elektromagnetische Strahlung wie Sonnenschein, ohne dass Materie im Raum zwischen den Körpern vorhanden sein muss.
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.
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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.
Strahlungswärmeübertragung
In den vorhergehenden Kapiteln haben wir Konvektion und Wärmeleitung erörtert , die das Vorhandensein von Materie als Medium erfordern, um die Wärme vom heißeren in den kälteren Bereich zu transportieren. Eine dritte Art der Wärmeübertragung, die Strahlungswärmeübertragung , erfolgt jedoch überhaupt ohne Medium. Im Allgemeinen ist die Strahlungswärmeübertragung von einer Oberfläche zur anderen die Strahlung, die die erste Oberfläche für die andere verlässt, abzüglich derjenigen, die von der zweiten Oberfläche kommt. Strahlungswärmeübertragung wird durch vermittelt elektromagnetische Strahlung , bekannt als thermische Strahlung , die aufgrund der entsteht Temperatur eines Körpers. Jedes Material mit einer Temperatur überDer absolute Nullpunkt gibt etwas Strahlungsenergie ab . Die meiste Energie dieses Typs befindet sich im Infrarotbereich des elektromagnetischen Spektrums, obwohl sich ein Teil davon im sichtbaren Bereich befindet. Eines der wichtigsten Beispiele für die Wärmeübertragung durch Strahlung ist die Absorption von Sonnenstrahlung durch die Erde, gefolgt von ihrer ausgehenden Wärmestrahlung. Diese Prozesse bestimmen die Temperatur und das Klima der Erde.
Quelle: hyperphysics.phy-astr.gsu.edu
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