Prenos toplote

,

Difuzija toplote

Radijacija toplote

Linearni protok toplote

U prirodi se stalno dolazi doprenosa toplotesa jednog mesta na drugo. Dve osnovne fizike veliine koje odreuju razmenu toplote izmeu dva tela su: koliina toplote itemperatura. Dok koliina toplote koju telo poseduje predstavlja prost zbirkinetike energijesvih molekula tela, temperatura je odraz intenzivnosti njihovog kretanja. Dva tela u fizikom kontaktu razmenjuju energiju (toplotu) sve dok se intenzivnost kretanja njihovih molekula (temperatura) ne izjednai. Kaemo da je temperaturna razlika dva tela pogonska sila za razmenu toplote meu njima. Toplota spontano prirodnim putem, uvek prelazi s tela vie na telo nie temperature. U nekim sluajevima se tei to boljem prenoenju toplote, kao na primer izmeu loita i kotla, centralnog grejanja, hladnjaka na motorima itd. U drugim sluajevima nastoji se da se sprei prelaz toplote kao kod zidova zgrada, hladnjaka, termos boca, kalorimetara itd.

Kao i kod drugih vidova energije, pri razmeni toplote izmeu nekog tela i okoline vai poznati toplotni bilans:

Qdovedeno Qodvedeno= QakumuliranoUkoliko je dovedena koliina toplote vea od odvedene, akumulacija je pozitivna telo se zagreva, a ako je situacija obrnuta, akumulacija je negativna telo se hladi.

[] 1Osnovni mehanizmi prenosa toplote 1.1Provoenje (kondukcija) 1.2Prelaenje (konvekcija) 1.2.1Izraunavanje prelaenja toplote 1.2.2Prelaenje toplote u prirodi 1.3Zraenje (radijacija) 1.3.1Apsorpcija, refleksija, transparencija 1.3.2Izraunavanje zraenja 2Literatura 3Spoljanje vezeOsnovni mehanizmi prenosa toplote[]Sloen mehanizam prenoenja toplote je prolaz toplote. Oznaava razmenu toplote izmeu dva fluida razdvojena vrstim zidom. Sastoji se od kondukcije i konvekcije.

Provoenje (kondukcija)[]Provoenje toplote je proces u kome se toplota prenosi direktno kroz materijal pri emu ne dolazi do premetanja sastavnih delova materijala.

U vrstim telima su molekuli rasporeeni po vorovimakristalne reetkena meusobnom rastojanju koje je odreeno jainommeumolekulskih sila, odnosno prirodom supstance. Oni osciluju oko svojih ravnotenih poloaja sa amplitudom i uestanou proporcionalnim temperaturi tela. Ako se molekulima u jednom podruju tela povisi kinetika energija oscilovanja (temperatura), njihovo intenzivnije oscilovanje e se mehaniki preneti na susedne molekule, sa ovih na sledee itd, doi e do prenosa kinetike energije molekula kroz telo protoka toplote pri emu molekuli zadravaju svoja mesta u kristalnoj reetki. Da bi do prenosa energije dolo, oigledno je da molekuli moraju stupati u meusobne fizike kontakte. Brzina prenosa toplote kroz telo zavisi od veliine i mase pojedinih molekula, kao i sila koje meu njima vladaju, karakteristina je za svako telo. Kodfluidasu meumolekulske sile mnogo slabije nego u vrstom telu, tako da se molekuli kreu haotino u svim pravcima, meusobno se sudarajui i izmenjujui kinetiku energiju. Pri uslovima izjednaene temperature, molekuli fluida se nalaze u stanju dinamike energetske ravnotee, ali kada se u jednom podruju povisi temperatura, ravnotea se remeti. Molekuli s vikom kinetike energije se sudaraju sa drugim, sporijim molekulima i predaju im jedan deo te energije, pa se tako, u makro-smislu, kroz fluid prenosi toplota. Treba zapaziti da se ovde radi o mirnom fluidu kod kojeg u uobiajenom smislu nije mogue primetiti bilo kakvo kretanje. Ono se odvija iskljuivo na molekulskom nivou. Kao kod vrstih tela, i ovde brzina prenosa toplote zavisi od brzine i mase molekula, to je uslovljeno prvenstveno prirodom fluida.

Ako se bilo koje pare nekog materijala zagreva na jednom mestu onda e se manje ili vie zagrevati i ostala mesta tog materijala (npr ako se jedan kraj metalnog tapa stavi u plamen, a drugi dri u ruci osetie se da se onaj deo koji se dri u ruci sve vie greje iako nije u kontaktu sa plamenom). Uoeno je da su metali najbolji provodnici toplote. U metalima se prenos toplote moe vriti islobodnim elektronima.

Prelaenje (konvekcija)[]Konvekcija je vrlo est oblik prenoenja toplote. Dok se kod kondukcije toplote u nepokretnom fluidu toplota prenosila sa jednog na drugi molekul, a sam proces bio ogranien uestalou njihovih meusobnih kontakata, prenos toplote konvekcijom nema ta ogranienja.

Kada se na povrinu hladne vode paljivo unese odreena koliina tople vode, ona e se pod dejstvom jake mealice veoma brzo raspodeliti po celoj raspoloivoj zapremini suda, tako da e posle vrlo kratkog vremena svuda biti konstantno poviena temperatura. Takvo izjednaavanje temperature u odsustvu meanja, dakle konduktivnim putem, trajalo bi neuporedivo due. Iz gornjeg primera sledi zakljuak: brzo izjednaavanje temperature oznaava da je proces prenosa toplote u posmatranom sistemu brz. U tehnici je u naelu povoljno da se svi procesi, pa i procesi prenosa toplote intenziviraju. Stoga se pri prenosu toplote kroz fluide uvek gde je to mogue radije koristi konvekcija, nego kondukcija, pri emu se istovremeno vodi rauna i o utroku energije potrebne za meanje fluida. Zato je uvek poeljnije da se meanje izvede bez upotrebe mehanikih sredstava samo pod dejstvom razlike u gustini fluida prouzrokovane najee temperaturnim razlikama u njemu. Takva se situacija ostvaruje kod tenosti u sudu koja se zagreva kroz dno: topliji (rei) slojevi se podiu ka vrhu, ustupajui mesto hladnijim (guim) slojevima koji padaju ka dnu suda. Uspostavlja se strujanje iji je intenzitet srazmeran temperaturnoj razlici dna i vrha suda. Tokom zagrevanja se ova razlika smanjuje, pa i intenzitet meanja, odakle je oito da ovakav proces prenosa toplote prirodnom konvekcijom ima ozbiljnih ogranienja. Stoga se u situacijama gde je potrebno prenos toplote uiniti intenzivnijim i uopte, podlonijim regulaciji, uvodi prinudno, mehaniko meanje, pa se proces prenosa toplote u takvim uslovima naziva prinudna konvekcija.

Izraunavanje prelaenja toplote[]Prenos toplote konvekcijom moemo raunati pomouNjutnovog zakona hlaenja:

q = hc(Tp- Tf)

gde je Tptemperatura vrste ploe uz koju struji fluid, Tftemperatura fluida dalje od granine ploe, a hckoeficijent konvekcije koji se izraava u W /m2K. Taj koeficijent zavisi od niza parametara, npr. od razlike temperatura, oblika i poloaja ploe, brzine i naina strujanja fluida (laminarno i turbulentno), vrste fluida...

Prelaenje toplote u prirodi[]Konvekcija se moe pokazati na prostom primeru zagrevanja prostorije pomou radijatora. Temperatura tenosti u radijatoru je znatno via od temperature vazduha u prostoriji. Usled toga vazduh koji se dodiruje sa radijatorom biva zagrejan, usled ega mu se smanjujegustina. Zbog toga se topao vazduh kree navie. Njegovo kretanje navie izaziva potiskivanje hladnijih delova vazduha nanie. Usled toga hladan vazduh dolazi radijatoru sa donje strane, dok sa gornje strane radijatora odlazi topao vazduh. Na taj nain se uspostavi prirodna cirkulacija vazduha oko radijatora, te se tako toplota prenese po celoj prostoriji.

Razni vetrovi u atmosferi takoe su vrsta konvekcije kojom se topao vazduh prenosi sa jednog dela Zemljine povrine na drugi. Poznate su i raznestruje u okeanima i morima, meu kojima je najpoznatijaGolfska struja. Kod takvih struja se toplota saekvatoraprenosi na velike daljinje putem povrinskog strujanja morske vode, dok se, sa druge strane, hladna voda kree po dnu okeana u suprotnom smeru.

Zraenje (radijacija)[]IzmeuSuncaiZemljeje prostor u kome nema supstance (vakuum). Zbog toga prethodna dva mehanizma prenoenja toplote ne mogu funkcionisati. Dakle nema ni provoenja ni konvekcije. Iz iskustva izlaganja sunevim zracima mi znamo da oni zagrevaju tela na koja padaju. Ovaj nain prenoenja toplote se naziva zraenje. Dakle Sunce u prostor zraielektromagnetne talase, preko kojih se prenosi toplota. Elektromagnetni talasi imaju jednu zanimljivu osobinu da im nije potrebna sredina da bi se prostirali, tj. mogu se prostirati kroz vakuum.

Sva tela koja imaju temperaturu viu od temperatureapsolutne nulezrae toplotu gde povrina ima znaajnu ulogu, ali istovremeno i apsorbuju energiju u obliku elektromagnetnih talasa. Na niim temperaturama zagrejano telo predaje toplotu najveim delom putem konvekcije i provoenja, mada svakako postoji i zraenje samo je ono manje izraeno, jer su temperature bliske pa je mala razlika etvrtih stepena apsolutnih termodinamikih temperatura, dok e na viim temperaturama preovladati odavanje toplote putem zraenja.

Apsorpcija, refleksija, transparencija[]Zraenje je rezultat unutaratomskih promena tokom kojih se unutranja energija tela pretvara u energiju koja se putem elektromagnetnih talasa prostire na druga tela. Ukupna energija zraenja koje pada na neko telo delimino se apsorbuje, delimino reflektuje, a delimino proe kroz njega.

a = Pa/Pu,

gde je Pasnaga apsorbovanog zraenja, a Puukupna snaga zraenja,

Pu= Pa+ Pr+ Pt= aPu+ rPu+ tPu= Pu(a+r+t)

a+r+t=1

a - koeficijent apsorpcije

r - koeficijent refleksije

t - koeficijent transparencije

1. Za a = 1, apsolutno crno telo; apsorbuje svu toplotu;

2. Za r = 1, aposluno belo telo; reflektuje svu toplotu;

3. Za t = 1, aposlutno transparentno (dijatermno) telo, proputa svu toplotu.

Izraunavanje zraenja[]Koliina toplote Q koja se putem zraenja emituje od strane apsolutno crnog tela srazmerna je vremenu emitovanja , povrini S, ali i emisionoj sposobnosti (moi) tela Wec, koja je srazmerna T4.

Q = T4S

Ukupna emisiona mo (sposobnost) crnog tela Wec (energija koju telo izrai sa jedinine povrine u jedinici vremena) data je tefan-Bolcmanovim zakonom:

= 5.7108W/m2K4tefan-Bolcmanova konstanta

Wec= T4Emisiona mo (sposobnost) Webilo kojeg tela zavisi od relativne emisione sposobnosti tela e (0