konduksi "panas"

Konduksi (panas)

Dalam perpindahan panas , konduksi (atau panas konduksi) adalah perpindahan energi panas antara molekul tetangga dalam suatu zat karena gradien suhu Ini selalu terjadi dari wilayah temperatur yang lebih tinggi ke daerah suhu yang lebih rendah, dan bertindak untuk menyeimbangkan perbedaan suhu. Konduksi terjadi di semua bentuk materi, yaitu. padat, cair, gas dan plasma, tetapi tidak memerlukan gerakan massal dari materi. Dalam padatan, hal ini karena kombinasi dari getaran molekul dalam kisi dan transportasi energi dengan elektron bebas. Dalam gas dan cairan, konduksi ini disebabkan oleh tabrakan dan difusi dari molekul selama gerak acak mereka.

Panas juga bisa ditransfer oleh radiasi dan / atau konveksi , dan sering lebih dari satu proses ini terjadi dalam situasi tertentu.

Ikhtisar

Pada skala mikroskopik, konduksi terjadi sebagai panas, cepat bergerak atau bergetar atom dan molekul berinteraksi dengan atom dan molekul tetangga, memindahkan beberapa energi (panas) ini atom tetangga. Dengan kata lain, panas dipindahkan oleh konduksi ketika atom berdekatan bergetar terhadap satu sama lain, atau memindahkan elektron dari satu atom yang lain. Konduksi adalah cara yang paling signifikan perpindahan panas dalam padat atau antara objek padat di kontak termal . Konduksi lebih besar di padat karena jaringan hubungan spasial relatif tetap antara atom yang membantu untuk mentransfer energi antara mereka dengan getaran.

Seperti kepadatan berkurang begitu juga konduksi. Oleh karena itu, cairan (dan terutama gas) kurang konduktif. Hal ini disebabkan oleh jarak besar antara atom dalam gas: tabrakan lebih sedikit antara atom berarti konduksi kurang. Konduktivitas gas meningkat dengan suhu. Konduktivitas bertambah dengan meningkatnya tekanan vakum sampai titik kritis bahwa kepadatan gas adalah sedemikian rupa sehingga molekul gas dapat diharapkan untuk berbenturan dengan satu sama lain sebelum mereka mentransfer panas dari satu permukaan yang lain. Setelah ini konduktivitas meningkat titik hanya sedikit dengan meningkatnya tekanan dan kepadatan.

konduktansi penghubung Thermal adalah studi konduksi panas di antara tubuh padat dalam kontak. Penurunan suhu sering diamati pada antarmuka antara dua permukaan bidang kontak. Fenomena ini dikatakan sebagai hasil dari resistansi kontak termal yang ada antara permukaan kontak. tahan panas Antarmuka adalah ukuran dari interface resistansi terhadap aliran termal. Tahan panas ini berbeda dari resistansi kontak, karena ada bahkan di antarmuka atom sempurna. Memahami tahan panas pada antarmuka antara dua bahan arti yang sangat penting utama dalam studi sifat termal nya. Antarmuka sering kontribusi yang signifikan terhadap sifat diamati bahan.

molekul transfer antar energi dapat terutama oleh dampak elastis seperti dalam cairan atau dengan difusi elektron bebas seperti di logam atau getaran Fonon seperti pada isolator. Dalam Isolator fluks panas yang dilakukan hampir seluruhnya oleh Fonon getaran.

Logam (, misalnya tembaga platinum, emas, dll) biasanya yang terbaik konduktor energi termal. Hal ini disebabkan oleh cara yang logam secara kimiawi terikat: obligasi logam (sebagai lawan kovalen atau ikatan ion ) memiliki elektron yang bergerak bebas yang mampu mentransfer energi panas cepat melalui logam. "elektron cairan" dari konduktif metalik yang solid melakukan hampir semua dari fluks panas melalui benda padat fluks Fonon masih ada, tetapi membawa kurang dari 1% dari energi. Electrons also conduct electric currentthrough conductive solids, and the thermal and electrical conductivities of most metals have about the same ratio. Elektron juga melakukan currentthrough listrik padatan konduktif, dan termal dan konduktivitas listrik yang paling logam miliki tentang rasio yang sama. Sebuah konduktor listrik yang baik, seperti tembaga , biasanya juga melakukan panas dengan baik. Peltier-efek Seebeck menunjukkan kecenderungan elektron untuk melakukan panas melalui padat konduktif secara elektrik. Thermoelectricity disebabkan oleh hubungan antara elektron, fluks panas dan arus listrik. konduksi panas dalam padat langsung analog dengan difusi partikel dalam fluida, dalam situasi di mana tidak ada arus fluida.

Untuk mengukur kemudahan dengan mana suatu media tertentu melakukan, insinyur mempekerjakan konduktivitas termal , juga dikenal sebagai konstanta atau koefisien konduksi, k konduktivitas." Dalam konduktivitas termal k didefinisikan sebagai "jumlah panas, Q, ditransmisikan dalam waktu (t) melalui ketebalan (L), dalam arah normal ke permukaan luas (A), karena perbedaan suhu (ΔT) [ ...]." konduktivitas termal adalah bahan properti yang terutama tergantung pada medium fase , suhu, kepadatan, dan ikatan molekul. effusivity Thermal adalah besaran berasal dari konduktivitas yang merupakan ukuran kemampuannya untuk pertukaran energi panas dengan lingkungannya.

konduksi Steady

konduksi Steady adalah bentuk konduksi yang terjadi bila perbedaan suhu mengemudi konduksi adalah konstan sehingga setelah waktu equilibrium, distribusi spasial temperatur (suhu lapangan) dalam melakukan objek tidak berubah lebih jauh. Sebagai contoh, bar mungkin dingin di satu ujung dan panas pada yang lain, tetapi gradien temperatur sepanjang bar tidak berubah dengan waktu. Suhu pada setiap bagian tertentu batang tetap konstan, dan suhu ini bervariasi secara linear sepanjang arah perpindahan panas.

Dalam konduksi steady state, jumlah panas yang masuk bagian sama dengan jumlah panas yang keluar. Dalam konduksi steady state, semua hukum konduksi listrik arus searah dapat diterapkan ke "arus panas". Dalam kasus tersebut, adalah mungkin untuk mengambil "resistensi termal" sebagai analog ke resistensi listrik. Suhu memainkan peran tegangan dan panas yang ditransfer adalah analog dari arus listrik.

konduksi transien

Ada juga ada situasi non-steady-state, di mana penurunan suhu atau peningkatan terjadi lebih drastis, seperti ketika bola tembaga panas terjatuh ke dalam minyak pada temperatur rendah. Berikut bidang suhu dalam perubahan objek sebagai fungsi waktu, dan bunga terletak dalam menganalisis perubahan spasial suhu dalam objek dari waktu ke waktu. Modus ini konduksi panas dapat disebut sebagai konduksi transien. Analisis sistem yang lebih kompleks dan (kecuali untuk bentuk sederhana), panggilan untuk aplikasi teori aproksimasi, dan / atau analisis numerik dengan komputer. Salah satu metode grafis populer melibatkan penggunaan Heisler Charts .

konduksi relativistik

Teori relativitas konduksi adalah model yang kompatibel dengan teori relativitas khusus. Untuk sebagian besar dari abad terakhir, ia mengakui bahwa persamaan Fourier adalah bertentangan dengan teori relativitas karena mengakui kecepatan tak terbatas propagasi dari sinyal panas. Sebagai contoh, menurut persamaan Fourier, sebuah pulsa panas pada asal akan dirasakan pada tak terhingga seketika. Kecepatan propagasi informasi lebih cepat daripada kecepatan cahaya dalam vakum, yang secara fisik tidak dapat diterima dalam kerangka relativitas. Perubahan ke model Fourier disediakan untuk model relativistik konduksi panas, menghindari masalah ini.

konduksi Quantum

Pernyataan kedua adalah fenomena kuantum mekanik dimana perpindahan panas terjadi melalui gelombang seperti gerakan-, bukan oleh mekanisme biasa lebih difusi . Panaskan mengambil tempat tekanan dalam gelombang suara normal. Hal ini menyebabkan sangat tinggi konduktivitas termal . Hal ini dikenal sebagai "suara kedua" karena gerakan gelombang panas yang mirip dengan propagasi suara di udara.

hukum Fourier

Hukum Panas Konduksi, juga dikenal sebagai Fourier hukum ', menyatakan bahwa tingkat saat perpindahan panas melalui suatu material adalah proporsional dengan negatif gradien suhu dan ke daerah tersebut, pada sudut kanan gradien yang, melalui yang panas mengalir. Kita dapat menyatakan hukum ini dalam dua bentuk setara: bentuk integral, di mana kita melihat jumlah energi yang mengalir masuk atau keluar dari tubuh secara keseluruhan, dan bentuk diferensial, di mana kita melihat tingkat aliran atau fluks dari energi lokal.

bentuk Diferensial

Bentuk diferensial's Hukum Fourier konduksi termal menunjukkan bahwa lokal fluks panas , $\ Overrightarrow {q}$ , Adalah persamaan dengan produk konduktivitas termal,

k,

dan suhu gradien lokal negatif, $- \ T nabla$ . . Fluks panas adalah jumlah energi yang mengalir melalui permukaan tertentu per satuan luas per satuan waktu.

$\ Overrightarrow {q} = - k {\ nabla} T$

dimana (termasuk SI unit)

$\ Overrightarrow {q}$ adalah lokal fluks panas , W · ^{M -2}

$\ Big.k \ besar.$ , adalah bahan yang konduktivitas , W · ^{M -1 °} K ^-1,

$\ Besar. \ Nabla T \ besar.$ adalah gradien temperatur, K · ^{M -1.}

Konduktivitas termal,

k,

sering diperlakukan sebagai konstan, meskipun hal ini tidak selalu benar. Sedangkan konduktivitas termal dari material bervariasi dengan suhu, variasi tersebut dapat kecil di atas rentang temperatur yang signifikan untuk beberapa bahan umum. Dalam bahan anisotropik, konduktivitas termal biasanya bervariasi dengan orientasi, dalam hal ini

k

diwakili oleh orde kedua tensor .

Untuk aplikasi sederhana banyak, hukum Fourier digunakan dalam bentuk satu dimensi. Dalam arah x-,

$q_x = - k \ frac {d} {d T x}$

Integral bentuk

Dengan mengintegrasikan bentuk diferensial atas's total permukaan material

S,

kita sampai pada bentuk yang tidak terpisahkan dari hukum Fourier's:

$\ {\ Parsial frac {Q} \ t parsial} =-k \ oint_S {\ overrightarrow {\ nabla} T \ cdots \, \ overrightarrow {dA}}$

dimana (termasuk SI unit)

$\ Besar. \ {\ Parsial Q} frac {t \ partial} \ besar.$ adalah jumlah panas yang ditransfer per satuan waktu (dalam W) dan

$\ Overrightarrow {dA}$ adalah luas permukaan elemen berorientasi (dalam m ²⁾

Di atas persamaan diferensial , ketika terpadu untuk bahan homogen-D geometri 1 antara dua endpoint pada suhu konstan, memberikan laju aliran panas sebagai:

$\ Besar. \ Frac {\ Delta Q} {\ Delta t} =-k A \ frac {\ Delta T} {\ Delta x}$

dimana

A adalah luas permukaan penampang-silang,

Δ T

adalah perbedaan suhu antara ujung-ujung,

Δ x

adalah jarak antara ujung-ujung.

Hukum ini membentuk dasar untuk derivasi dari persamaan panas. hukum Ohm adalah analog listrik's hukum Fourier.

Konduktansi

Menulis

$\ Besar. U = \ frac {k} {\ Delta x}, \ quad$

dimana U adalah konduktansi, dalam W / (m ² K).

hukum Fourier juga dapat dinyatakan sebagai:

$\ Besar. \ Frac {\ Delta Q} {\ Delta t} = U A \, (- \ Delta T).$

Kebalikan dari konduktansi adalah resistensi, R, diberikan oleh:

$\ Besar. R = \ frac {1} {U} = \ frac {\ Delta x} {k} = \ frac {A \, (- \ Delta T)} {\ frac {\ Delta Q} {\ Delta t}}, \ quad$

dan itu adalah resistensi yang tambahan jika melakukan beberapa lapisan terletak antara daerah panas dan dingin, karena A dan Q adalah sama untuk semua lapisan. Dalam partisi multilayer, yang konduktansi total berhubungan dengan lapisan konduktansi dengan:

$\ Besar. \ Frac {1} {U} = \ frac {1} {U_1} + \ frac {1} {U_2} + \ frac {1} {U_3} + \ cdots$

Jadi, ketika berhadapan dengan partisi multilayer, rumus berikut ini biasanya digunakan:

$\ Besar. \ Frac {\ Delta Q} {\ Delta t} = \ frac {A \, (- \ Delta T)} {\ frac {\ Delta x_1} {k_1} + \ frac {\ Delta x_2} {k_2} + \ frac {\ Delta x_3} {k_3} + \ cdots}.$

Ketika panas sedang dilakukan dari satu cairan lain melalui penghalang, kadang-kadang penting untuk mempertimbangkan konduktansi dari lapisan tipis cairan yang tetap stasioner samping penghalang. Film tipis fluida sulit untuk dihitung, karakteristiknya tergantung pada kondisi kompleks turbulensi dan viskositas , tetapi ketika berhadapan dengan hambatan tinggi konduktansi tipis kadang-kadang bisa menjadi cukup signifikan.

properti representasi Intensif

Persamaan konduktansi sebelumnya, yang ditulis dalam hal sifat yang luas , dapat dirumuskan dalam hal sifat intensif .

Idealnya, rumus untuk konduktansi harus menghasilkan kuantitas dengan dimensi independen dari jarak jauh, seperti hukum Ohm's tahan listrik: $R = V / I \, \!$ , and conductance: , Dan konduktansi: $G = I / V \, \!$ . .

Dari rumus listrik: $R = \ rho x / A \, \!$ , Di mana ρ adalah resistivitas, x = panjang, dan A adalah luas penampang, kami telah $G = k A / x \, \!$ , Dimana G adalah konduktansi, k adalah konduktivitas, x = panjang, dan A luas penampang =.

Untuk Panas,