Izračun toplotnega toka

Mint Images RF/Getty Images

The toplotni tok je hitrost, s katero se toplota prenaša skozi čas. Ker gre za stopnjo toplotne energije skozi čas, je enota DA toplotnega toka je joula na sekundo , ali vat (W).

Toplota teče skozi materialne predmete skozi prevodnost , pri čemer segreti delci predajajo svojo energijo sosednjim delcem. Znanstveniki so preučevali pretok toplote skozi materiale, še preden so sploh vedeli, da so materiali sestavljeni iz atomov, in toplotni tok je eden od konceptov, ki je bil koristen pri tem. Tudi danes, čeprav razumemo prenos toplote biti povezan z gibanjem posameznih atomov, je v večini situacij nepraktično in nekoristno poskušati razmišljati o situaciji na ta način, korak nazaj in obravnavanje predmeta v večjem obsegu pa je najprimernejši način za preučevanje ali napovedovanje gibanje toplote.

Matematika toplotnega toka

Ker toplotni tok predstavlja pretok toplotna energija čez čas si lahko predstavljate majhno količino toplotne energije, dQ ( Q je spremenljivka, ki se običajno uporablja za predstavitev toplotne energije), ki se prenaša v majhnem času, dt . Uporaba spremenljivke H za predstavitev toplotnega toka vam to da enačbo:

H = dQ / dt

Če ste jemali predkalkulacijo oz račun , boste morda spoznali, da je stopnja spremembe, kot je ta, odličen primer, ko bi želeli omejiti čas, ko se čas približuje ničli. Eksperimentalno lahko to storite z merjenjem toplotne spremembe v vedno manjših časovnih intervalih.

Poskusi, izvedeni za določitev toplotnega toka, so identificirali naslednje matematično razmerje:

H = dQ / dt = kA ( T_H - T_C ) / L

To se morda zdi zastrašujoč niz spremenljivk, zato jih razčlenimo (nekatere so bile že pojasnjene):

• H : toplotni tok
• dQ : majhna količina toplote, ki se prenese v določenem času dt
• dt : majhen čas, v katerem dQ je bil prenesen
• k : toplotna prevodnost materiala
• A : površina prečnega prereza predmeta
• T_H - T_C : temperaturna razlika med najtoplejšo in najhladnejšo temperaturo v materialu
• L : dolžina, po kateri se prenaša toplota

En element enačbe je treba obravnavati neodvisno:

( T_H - T_C ) / L

To je temperaturna razlika na enoto dolžine, znana kot temperaturni gradient .

Toplotna odpornost

V tehniki pogosto uporabljajo koncept toplotne upornosti, R , da bi opisali, kako dobro toplotni izolator preprečuje prenos toplote čez material. Za ploščo materiala debeline L , razmerje za dani material je R = L / k , kar ima za posledico to razmerje:

H = A ( T_H - T_C ) / R