Šilumos srovės apskaičiavimas

Mint Images RF/Getty Images

The šilumos srovė yra šilumos perdavimo greitis laikui bėgant. Kadangi tai yra šilumos energijos norma laikui bėgant, TAIP vienetas šilumos srovė yra džaulių per sekundę , arba vatais (W).

Šiluma teka per materialius objektus per laidumas , kai įkaitintos dalelės perduoda savo energiją kaimyninėms dalelėms. Mokslininkai ištyrė šilumos srautą per medžiagas, kol net nežinojo, kad medžiagos yra sudarytos iš atomų, o šilumos srovė yra viena iš naudingų sąvokų šiuo atžvilgiu. Net ir šiandien, nors suprantame šilumos perdavimas būti susijęs su atskirų atomų judėjimu, daugeliu atvejų nepraktiška ir nenaudinga bandyti taip mąstyti apie situaciją, o atsitraukti, kad objektas būtų traktuojamas didesniu mastu, yra tinkamiausias būdas ištirti ar numatyti šilumos judėjimas.

Šilumos srovės matematika

Kadangi šilumos srovė reiškia srautą šilumos energija laikui bėgant galite galvoti apie tai kaip apie mažą šilumos energijos kiekį, dQ ( K yra kintamasis, paprastai naudojamas šilumos energijai pavaizduoti), perduodama per nedidelį laiko tarpą, dt . Naudojant kintamąjį H šilumos srovei pavaizduoti gaunama lygtis:

H = dQ / dt

Jei atlikote išankstinį skaičiavimą arba skaičiavimas , galite suprasti, kad toks pokyčio tempas yra puikus pavyzdys, kada norėtumėte imtis ribos, kai laikas artėja prie nulio. Eksperimentiškai tai galite padaryti matuodami šilumos pokytį vis mažesniais laiko intervalais.

Eksperimentai, atlikti šilumos srovei nustatyti, nustatė tokį matematinį ryšį:

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

Tai gali atrodyti kaip bauginantis kintamųjų masyvas, todėl suskirstykime juos (kai kurie iš jų jau buvo paaiškinti):

• H : šilumos srovė
• dQ : mažas šilumos kiekis, perduotas per tam tikrą laiką dt
• dt : mažas laiko tarpas, per kurį dQ buvo perkeltas
• k : medžiagos šilumos laidumas
• A : objekto skerspjūvio plotas
• T_H - T_C : temperatūros skirtumas tarp šilčiausios ir vėsiausios medžiagos temperatūrų
• L : ilgis, per kurį perduodama šiluma

Yra vienas lygties elementas, į kurį reikėtų atsižvelgti atskirai:

( T_H - T_C ) / L

Tai temperatūros skirtumas ilgio vienetui, žinomas kaip temperatūros gradientas .

Šiluminis atsparumas

Inžinerijoje jie dažnai naudoja šiluminės varžos sąvoką, R , apibūdinti, kaip šilumos izoliatorius apsaugo nuo šilumos perdavimo per medžiagą. Storio medžiagos plokštei L , santykis su duota medžiaga yra R = L / k , todėl susidaro toks ryšys:

H = A ( T_H - T_C ) / R