Siły stojące za przewodnictwem cieplnym i jego zastosowanie
Przekazywanie ciepła jest jedną z głównych sił fizycznych napędzających wszystkie reakcje na tej planecie. Rządzona prawami termodynamiki, wymiana ciepła umożliwia wykorzystanie energii i zastosowanie jej do zasilania niezliczonych systemów codziennego użytku. Mechanizm wymiany ciepła jest wyjaśniony przez pierwsze prawo termodynamiki. Prawo to mówi, że energia nie może być ani stworzona ani zniszczona, może być jedynie przenoszona pomiędzy systemami. Nieuchronnie, kiedy energia jest przekazywana pomiędzy dwoma systemami, część z niej jest tracona do otaczającego środowiska. Ta utracona energia występuje w postaci ciepła i może być również określana jako energia termiczna. Energia cieplna, która jest zawarta w systemie jest odpowiedzialna za temperaturę otoczenia.
Metody wymiany ciepła
Istnieją trzy metody, które ułatwiają wymianę ciepła. Metody te znane są jako przewodzenie, konwekcja i promieniowanie.
Promieniowanie przenosi ciepło za pomocą fal elektromagnetycznych i nie wiąże się z żadną interakcją między materią. Ciepło pochodzące ze słońca jest przykładem promieniowania.
Konwekcja występuje w cieczach i gazach i opisuje ruch ciepła z jednego miejsca do drugiego, ułatwiony przez ruch płynów. Po podgrzaniu, ciecze rozszerzają się i stają się mniej gęste. Gorący płyn unosi się i wypiera zimny płyn znajdujący się nad nim, spychając go w dół w kierunku źródła ciepła. Ten zimny płyn nagrzewa się i wznosi ku górze, tworząc stały przepływ płynu z obszaru o wysokiej temperaturze do obszaru o niskiej temperaturze. Konwekcja wyjaśnia, w jaki sposób grzejniki płytowe mogą ogrzać całe pomieszczenie. Gorące powietrze generowane przez grzejniki szybko przepływa w górę, spychając zimne powietrze w dół w kierunku grzejnika na podłodze, tworząc stały przepływ powietrza.
Przekazywanie ciepła przez przewodzenie polega na przekazywaniu ciepła między dwoma materiałami poprzez kontakt powierzchniowy. Pomiędzy materiałami nie dochodzi do wymiany materii, a jedynie energii. Ten rodzaj wymiany ciepła występuje w materiałach stałych i jest spowodowany drganiami cząsteczek. Pod wpływem przepływu energii cząsteczki w ciele stałym zaczynają się poruszać, obracać i wibrować, tworząc energię kinetyczną. Powszechnym przykładem przewodzenia jest proces podgrzewania patelni na kuchence. Ciepło z palnika przenosi się bezpośrednio na powierzchnię patelni. Temperatura jest miarą ilości energii kinetycznej przetwarzanej przez cząsteczki w próbce materii. Im więcej energii kinetycznej ma dany materiał, tym wyższa będzie jego temperatura wewnętrzna.
Rysunek 1: Mechanizmy wymiany ciepła diagram
Przekazywanie ciepła w metalach
Materia o wysokiej energii kinetycznej będzie miała również wysoką przewodność cieplną. Przewodność cieplna opisuje jak efektywnie materiał może przepuszczać ciepło. Jest ona definiowana przez szybkość przepływu energii na jednostkę powierzchni w porównaniu do gradientu temperatury. Większość wartości przewodności wyrażana jest w watach na metr na stopień Kelvina W/m-K.
Przewodność cieplna wyjaśnia, dlaczego chodzenie bosą stopą po zimnej podłodze z płytek jest znacznie chłodniejsze niż chodzenie po dywanie, mimo że oba materiały mają temperaturę pokojową. Płytki i skały mają wyższą przewodność cieplną niż dywan i tkaniny, więc mogą przenosić ciepło z dala od stopy w znacznie szybszym tempie, dzięki czemu płytki wydają się chłodne w dotyku.
Metale są przykładem materiału o wysokiej przewodności cieplnej, który może szybko przenosić ciepło. Wewnętrzna struktura molekuły metalu zawiera wolne elektrony, które mogą swobodnie przemieszczać się w masie materiału. Te wolne elektrony szybko zderzają się z innymi cząsteczkami powodując szybsze wibracje wewnętrznej struktury metalu i szybsze nagrzewanie się. Te szybkie wibracje promują przepływ energii i ciepła w całym metalu.
Metale takie jak miedź, aluminium i srebro są często używane do produkcji urządzeń termicznych i narzędzi. Copper pipes are wires are extremely popular to use within a home to transfer energy and heat quickly from one area to another. Aluminium ma bardzo podobne właściwości termiczne do miedzi i jest często używane jako opłacalny zamiennik do wykonywania tych samych funkcji. Srebro jest jednym z najczęściej używanych metali do zastosowań termicznych. Ponad 35% całego srebra produkowanego w USA jest wytwarzane do zastosowań w elektronice lub elektryce. Zapotrzebowanie na srebro stale rośnie, ponieważ staje się ono kluczowym składnikiem w produkcji paneli słonecznych. Inne materiały o wysokim przewodnictwie cieplnym, takie jak diamenty, również mają wiele praktycznych zastosowań. Proszek diamentowy jest często używany w elektronice do przenoszenia ciepła z dala od wrażliwych obszarów, aby chronić je przed przegrzaniem.
Rysunek 2: Standardowe panele słoneczne, które są często produkowane z użyciem srebra
Przenoszenie ciepła w niemetalach
Materiały niemetaliczne polegają na fononach do przenoszenia ciepła wzdłuż gradientu z zimnego obszaru do ciepłego. Tworzywa sztuczne, pianki i drewno są przykładami materiałów o niskiej wartości przewodności cieplnej. Materiały te nazywane są izolatorami i mogą ograniczać przepływ ciepła. Izolatory mają wiele niezwykle użytecznych zastosowań, które mogą chronić energię przed utratą do środowiska. Pianka jest niezwykle użytecznym materiałem izolacyjnym dla domów i budynków. Ponad 50% całej energii w gospodarstwie domowym zużywane jest na ogrzewanie lub chłodzenie domu. Użycie materiału o wysokiej przewodności cieplnej do izolacji domu może znacząco obniżyć ilość energii potrzebnej do ogrzania lub ochłodzenia budynku. Ceny energii stale rosną na całym świecie, co sprawia, że idealnym rozwiązaniem jest oszczędzanie jak największej ilości energii i ciepła w celu obniżenia rachunków za prąd.
Wniosek
Przewodnictwo cieplne jest niezwykle ważną właściwością materiału, która umożliwia tysiącom systemów produkcyjnych prawidłowe i wydajne funkcjonowanie. Ciepło jest stale wymieniane w każdym ekosystemie w postaci traconej energii. Wykorzystanie energii cieplnej w procesach przemysłowych i praktycznych stworzyło doskonałe technologie oszczędzania energii, które są stosowane codziennie. Przewodzenie, promieniowanie i konwekcja to różne sposoby, w jakie ciepło może przemieszczać się w systemie. Struktura, gęstość i skład materiału to czynniki, które mogą mieć wpływ na przewodność cieplną próbki. Materiały o wysokiej lub niskiej wartości przewodności cieplnej są wykorzystywane w wielu codziennych zastosowaniach. Chociaż bardzo niedoceniane, życie nie byłoby takie samo bez transferu ciepła i wymiany termicznej.
Autor: Kallista Wilson | Junior Technical Writer | Thermtest