19 Kuk.doc

Transport  i  Wymiana  Ciepła

              Przepływ i wymiana ciepła pomiędzy dwoma ciałami zachodzi wówczas, gdy istnieje różnica temperatur pomiędzy nimi. Proces ten polega na przekazywaniu przez jedno ciało drugiemu ciału energii wewnętrznej.

              Jeżeli oba ciała pozostają ze sobą w kontakcie dostatecznie długo, nastąpi wyrównanie się temperatur obu ciał, w wyniku przepływu ciepła z ciała o wyższej temperaturze do ciała o niższej temperaturze.

Ciepło może być przenoszone i przekazywane trzema sposobami:

1.     Poprzez przewodzenie – bez makroskopowych przemieszczeń cząsteczek, które oscylując wokół swoich położeń równowagi przekazują nadmiar energii kinetycznej sąsiednim cząsteczkom (ciała stałe).

2.     Poprzez konwekcję (unoszenie) – materia podgrzana przez kontakt z gorącym ciałem zmniejsza swoją gęstość i przemieszcza się, unosząc przejęte ciepło z układu (ciecze i gazy).

3.     Poprzez promieniowanie – ciało nagrzane do wysokiej temperatury emituje promieniowanie elektromagnetyczne niosące energię, która po pochłonięciu przez ciało chłodniejsze zamienia się ponownie na ciepło. Transport energii może więc zachodzić również w próżni.

Przewodnictwo cieplne ciał opisuje prawo Fouriera:

Gęstość strumienia cieplnego q, tj. ilości energii cieplnej przepływającej w czasie dt przez powierzchnię elementarną dS prostopadłą do kierunku przepływu:

jest proporcjonalna do gradientu temperatury T. Jeśli ograniczymy się tylko do przepływu wzdłuż jednego kierunku, np. x, to wówczas prawo Fouriera ma postać:

Współczynnik k zależy od rodzaju materiału i nosi nazwę współczynnika przewodnictwa cieplnego. Charakteryzuje zdolność ciała do przewodzenia ciepła. Jego wymiarem jest 1 W m-1 s-1 K-1.

Całkowitą ilość ciepła przenikającą przez próbkę w jednostce czasu, czyli szybkość przepływu ciepła w stanie ustalonym (q = const, k = const), uzyskamy po zsumowaniu gęstości strumienia cieplnego po powierzchni S i po grubości próbki x dla ustalonych temperatur T1 i T2 po obu jej stronach:

oraz

Otrzymujemy ostatecznie, że szybkość przepływu ciepła przez powierzchnię S próbki o grubości d wynosi:

gdzie (T1 -T2­) – różnica temperatur między powierzchniami próbki.

              Poprzez analogię do prawa Ohma dla prądu elektrycznego, dla „prądu cieplnego” mamy:

Możemy zatem powiedzieć, że „prąd cieplny” przepływa pod wpływem różnicy temperatur, ale przy „oporze cieplnym”:

              W realnych układach fizycznych opór cieplny na jaki natrafia strumień cieplny przy przepływie od ciała gorącego do chłodniejszego złożony jest z oporów cieplnych obu ciał oraz ze stykowego oporu cieplnego.

              Płasko równoległą płytkę materiału, którego przewodnictwo cieplne chcemy zbadać, umieszczamy między źródłem ciepła – grzejnikiem, a odbiornikiem. Rejestrujemy zmiany różnicy temperatur pomiędzy grzejnikiem o bardzo dużej pojemności cieplnej i stabilizowanej temperaturze T1 = const, a odbiornikiem, będącym bardzo dobrym przewodnikiem ciepła. Szybkość akumulowania ciepła przez odbiornik wynosząca:

będzie równa szybkości przepływu ciepła przez opór cieplny badanego układu, na który składają się : opór cieplny materiału oraz dwa opory stykowe i

.

Z równania

po rozdzieleniu zmiennych i wycałkowaniu wychodzi, że:

              Gdy powierzchnie grzejnika, odbiornika oraz próbki są polerowane, a badany materiał jest izolatorem cieplnym, wówczas mamy podstawy, aby przyjąć, że:

i wówczas :                                         

Wykonanie ćwiczenia

              Układ pomiarowy składa się ze źródła ciepła o stałej temperaturze (zbiornik z gotującą się wodą), odbiornika ciepła (którym jest płytka metalowa – bardzo dobry przewodnik ciepła) chronionego przed stratami ciepła izolacją, dwu czujników temperatury: termopary 1 i 2. Termopara 1 mierzy różnicę pomiędzy grzejnikiem i odbiornikiem, a termopara 2 mierzy nadwyżkę temperatury odbiornika ponad temperaturę otoczenia.

              Parametry charakteryzujące odbiornik, to:

·         ciepło właściwe c = 3,8×102 J / kg×K

·         średnica odbiornika = 11 cm

·         masa odbiornika m. = 453,86 g