Lämpövirran laskeminen

lämpövirta on nopeus, jolla lämpö siirtyy ajan myötä. Koska se on lämpöenergian määrä ajan myötä, SI-lämpövirtayksikkö on joulea sekunnissa tai wattia (W).

Lämpö virtaa materiaaliesineiden läpi johtumisen kautta, lämmitettyjen hiukkasten ansiosta energiansa vierekkäisiin hiukkasiin. Tutkijat tutkivat lämmön virtausta materiaalien läpi hyvissä ajoin ennen kuin he edes tiesivät, että materiaalit koostuvat atomeista, ja lämpövirta on yksi käsitteistä, joista oli hyötyä tässä suhteessa. Vaikka ymmärrämme myöskin lämmönsiirron liittyvän yksittäisten atomien liikkeeseen, on useimmissa tilanteissa epäkäytännöllistä ja hyödytöntä yrittää ajatella tilannetta tällä tavoin, ja askel takaisin esineen käsittelemiseen laajemmassa mittakaavassa on sopivin tapa tutkia tai ennustaa lämmön liikettä.

Lämpövirran matematiikka

Koska lämpövirta edustaa lämpöenergian virtausta ajan myötä, voit ajatella sitä edustavan pienen määrän lämpöenergiaa, dQ (Q on muuttuja, jota käytetään yleisesti edustamaan lämpöenergiaa), joka välitetään pienen ajan kuluessa, dt. Muuttujan käyttö H lämpövirran esittämiseksi saadaan yhtälö:

H = dQ / dt

Jos olet ottanut esilaskennan tai laskennan, saatat huomata, että tällainen muutosnopeus on erinomainen esimerkki siitä, milloin haluat ottaa rajan ajan lähestyessä nollaa. Kokeellisesti voit tehdä sen mittaamalla lämmönmuutoksen pienemmillä ja pienemmillä aikaväleillä.

Lämpövirran määrittämiseksi tehdyt kokeet ovat tunnistaneet seuraavan matemaattisen suhteen:

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

Se voi tuntua pelottavalta joukolta muuttujia, joten jaotellaan ne (joista jotkut on jo selitetty):

• H: lämpövirta
• dQ: pieni määrä lämpöä siirretään ajan kuluessa dt
• dt: pieni aika, jonka kuluessa dQ siirrettiin
• K: materiaalin lämmönjohtavuus
• : esineen poikkileikkauspinta-ala
• T_H - T_C: lämpötilaero materiaalin lämpimimpien ja viileimpien lämpötilojen välillä
• L: pituus, jonka läpi lämpö siirtyy

Kaavassa on yksi osa, jota tulisi tarkastella itsenäisesti:

(T_H - T_C) / L

Tämä on lämpötilaero pituusyksikköä kohti, joka tunnetaan nimellä lämpötilagradientti.

Lämmönkestävyys

Suunnittelussa he käyttävät usein lämpövastuksen käsitettä, R, kuvaamaan kuinka hyvin lämpöeriste estää lämmön siirtymisen materiaalin poikki. Materiaalilevylle, jonka paksuus on L, tietyn materiaalin suhde on R = L / K, mikä johtaa tähän suhteeseen:

H = (T_H - T_C) / R