Das Wärmeübertragung durch Wärmeleitung Es besteht aus dem Durchgang oder Energiefluss zwischen zwei Körpern bei unterschiedlichen Temperaturen, wenn sie in Kontakt kommen. Die Wärme fließt vom wärmeren zum kälteren Körper, bis beide die gleiche Temperatur haben. Es wird dann gesagt, dass das System ein thermisches Gleichgewicht erreicht hat.
Es ist ein häufiger Wärmeübertragungsmechanismus in Festkörpern, obwohl er auch in Sternen auftritt, die normalerweise gasförmig sind. Die Kerne der Sterne, die in ihrer Entwicklung fortgeschritten sind, sind jedoch dicht genug, damit dieser Mechanismus von Bedeutung ist..
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Die Wärmeübertragung durch Wärmeleitung erfolgt durch den Austausch von Energie zwischen Molekülen, Atomen und Elektronen. Während des Austauschs geben die energiereicheren Teilchen durch die Kollisionen, die zwischen ihnen stattfinden, einen Teil ihrer Energie an die weniger energetischen Teilchen ab..
Zum Beispiel schwingen in einem Topf, der in Brand gesetzt werden soll, alle Partikel des Materials mit einer bestimmten Amplitude. Die Flamme erwärmt diejenigen, die ihr am nächsten sind, und sie beginnen schneller zu schwingen, erhöhen ihre Schwingungsamplitude und gewinnen Energie..
Ein Teil dieser Energie wird auf benachbarte Moleküle übertragen, die wiederum ihre Schwingungsamplitude erhöhen und auch progressiv Energie gewinnen. Und von diesen Teilchen breitet sich ein Teil der Energie zu den Teilchen aus, die am weitesten von der Flamme entfernt sind.
Eine Zunahme der Schwingungsamplitude der Partikel führt zu einem Temperaturanstieg, der mit der Hand spürbar ist, wenn Sie sich dem Metall der Pfanne, einschließlich des Griffs oder der Griffe, nahe genug nähern. Daher sind sie immer mit einem beschichtet Isolator, so dass sie ohne Verbrennung gehandhabt werden können.
Die Geschwindigkeit des Leitungsprozesses hängt jedoch vom Material ab, da einige Substanzen viel besser leiten als andere..
In dieser Hinsicht sind Metalle definitiv ausgezeichnete Wärme- und Stromleiter. Sie sind besser als Holz und Kunststoffe, weil ihre Atome mindestens ein freies Elektron in der äußersten Hülle haben, das sich durch das Material bewegen und Energie mit sich führen kann..
Überraschenderweise ist Diamant der beste Wärmeleiter auf dem Markt, obwohl es aufgrund seines Preises keine andere Wahl gibt, als sich bei praktischen Anwendungen mit Metallen zufrieden zu geben..
Neue Forschungsergebnisse zeigen, dass eine Verbindung aus Bor und Arsen möglicherweise so gut wie Diamant ist, um Wärme effizient abzuleiten.
Um herauszufinden, wie schnell sich Wärme durch Wärmeleitung ausbreitet, betrachten Sie eine Materialbahn mit der Breite L und dem seitlichen Bereich A. Die linke Seite berührt eine Wärmequelle (in Rot) bei der Temperatur T.h, während die andere Seite an ein kälteres Objekt mit der Temperatur T angrenztc.
Die Wärme Q fließt zwischen den Flächen von der heißesten zur kältesten Seite in der Zeit Δt. Experimentell wurde festgestellt, dass die Änderungsrate oder Geschwindigkeit, mit der die Wärme zwischen den Flächen fließt, proportional ist zu:
-Der Bereich A der Gesichter.
-Die Temperaturdifferenz ΔT zwischen ihnen.
Und es ist auch umgekehrt proportional zur Dicke L der Platte. Mathematisch wird es so ausgedrückt:
Die Proportionalitätskonstante wird als Wärmeleitfähigkeit bezeichnet k, So:
Die Wärmeleitfähigkeit ist ein Merkmal des Materials. In Bezug auf die vorhandenen Einheiten wird im internationalen System Q in Joule (J) gemessen, Δt in Sekunden (s), daher bleibt Q / Δt in J / s, was Watt (W) entspricht. In diesem Fall sind die Einheiten der Wärmeleitfähigkeit W / m ∙ ºC, wenn die Temperatur in Grad Celsius oder W / m ∙ K gemessen wird, wenn die absolute Skala in Kelvin verwendet wird.
Gute Wärmeleiter haben hohe Werte von k, Hervorheben von Metallen und Diamanten.
Da Q / Δt Leistung ist, haben wir, wenn es mit P bezeichnet wird:
Nachfolgend ist die Wärmeleitfähigkeit einiger bekannter Substanzen mit häufigem Gebrauch in Einheiten des SI International System W / m ∙ K angegeben:
-Synthetischer Diamant: 2000
-Silber: 429
-Gold: 317
-Kupfer: 385
-Zink: 116
-Wolfram: 174
-Luft: 0,024
Wärmeübertragung durch Wärmeleitung ist in vielen Aspekten des Alltags vorhanden:
Töpfe, Pfannen und im Allgemeinen Küchenutensilien aus Metall wie Stahl haben Griffe aus Isoliermaterial. Dies verringert das Risiko von Verbrennungen beim Umgang mit ihnen, wenn sie mit der Flamme in Kontakt kommen oder der Inhalt heiß ist..
Wenn Sie ein Stück Holz in der einen und ein Stück Metall in der anderen Hand halten, fällt sofort auf, dass es sich kühler anfühlt. Metalle sind, wie oben erläutert, gute Wärmeleiter, sodass die Wärme schneller von der Hand zum Metall fließt als von der Hand zum Holz..
Auf diese Weise kühlt der Kontakt mit dem Metall die Hand der Person, die es hält, schneller ab und fühlt sich folglich kälter an als Holz, das kein so guter Leiter ist..
Neue Abdeckungen fühlen sich wärmer an als gebrauchte Abdeckungen, und das liegt daran, dass neue Abdeckungen mehr Luft in den Fasern und Poren haben. Je mehr Luft sich im Inneren befindet, desto besser funktioniert eine Abdeckung, da Luft ein sehr guter Wärmeisolator ist.
In vielen Teilen der Welt, in denen es im Winter sehr kalt ist, sind Häuser mit wärmeisolierenden Materialien geschützt, damit der Innenraum komfortabler bleibt.
Zum Beispiel gibt es Glasfaser, die Räume mit Luft enthält, die als Wärmeisolator fungiert und verhindert, dass Wärme entweicht..
Wärmepumpen entziehen Maschinen Wärme, indem sie Wärme durch Metallrohre von überhitzten Teilen in kältere Bereiche leiten.
Wenn ein metallisches Objekt erhitzt wird, schwingen die Partikelbestandteile mit einer größeren Amplitude und die Folge ist, dass die Abmessungen des Objekts vergrößert werden.
Behälter, die Lebensmittel länger in gutem Zustand halten sollen, bestehen aus Isoliermaterial, damit die Wärme von außen die Lebensmittel nicht zersetzt.
Der Querschnitt eines Kupferblocks hat eine Fläche von 20 cmzwei und Länge von 50 cm. Eine Seite hat 0 ° C und die andere 100 ° C. Berechnen Sie die Geschwindigkeit, mit der Wärme übertragen wird.
Die zuvor abgeleitete Gleichung wird verwendet:
Aus der Liste der Leitfähigkeiten ergibt sich für Kupfer k = 400 W / m ∙ K, und obwohl die in der Aussage angegebenen Temperaturen in Grad Celsius angegeben sind, ist das Intervall ΔT auf beiden Skalen gleich:
ΔT = 100 K.
Die Länge beträgt L = 50 cm = 0,5 m und die Fläche beträgt A = 20 cmzwei = 0,002 mzwei, Es bleibt, Werte in der Gleichung zu ersetzen:
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