Wärme ist ein Maß für die Wärmeenergie, die von einem Punkt auf einen anderen übertragen werden kann. Wärme ist die Übertragung kinetischer Energie von einer Energiequelle auf ein Medium oder von einem Medium oder Objekt auf ein anderes Medium oder Objekt.
Wärme ist einer der wichtigen Bestandteile von Phasenwechseln, die mit Arbeit und Energie verbunden sind. Wärme ist auch das Maß für die kinetische Energie, die die Teilchen in einem System besitzen. Die kinetische Energie der Partikel im System nimmt mit steigender Temperatur des Systems zu. Daher ändert sich die Wärmemessung mit der Zeit.
Wärmeübertragung
Wenn ein System mit einer höheren Temperatur mit einem System mit einer niedrigeren Temperatur in Kontakt gebracht wird, wird Energie von den Partikeln im ersten System auf die Partikel im zweiten System übertragen. Daher kann Wärmeübertragung als der Prozess der Wärmeübertragung von einem Objekt (oder einem System) mit einer höheren Temperatur auf ein anderes Objekt (oder ein System) mit einer niedrigeren Temperatur definiert werden.
Wärmeübertragungsformel
Die Wärmeübertragungsformel bestimmt die Wärmemenge, die von einem System auf ein anderes übertragen wird.
Q = c × m × ΔT
Wo,
Q ist die dem System zugeführte Wärme
m ist die Masse des Systems
c ist die spezifische Wärmekapazität des Systems
ΔT ist die Temperaturänderung des Systems
Die spezifische Wärmekapazität (c) ist definiert als die Wärmemenge (in Joule), die pro Masseneinheit (kg) des Materials absorbiert wird, wenn seine Temperatur um 1 K (oder 1 °C) steigt. Seine Einheiten sind J/kg/K oder J/kg/°C.
Herleitung der Formel
Lassen M sei die Masse des Systems und C sei die spezifische Wärmekapazität des Systems. Lassen ΔT sei die Temperaturänderung des Systems.
Dann ist die zugeführte Wärmemenge ( Q ) ist das Produkt der Masse M , spezifische Wärmekapazität C und Temperaturänderung ΔT und ist gegeben durch,
Q = c × m × ΔT
Arten der Wärmeübertragung
Es gibt drei Arten der Wärmeübertragung:
- Leitung
- Konvektion
- Strahlung
Leitung
Die Übertragung von Wärme durch feste Materialien wird als Wärmeleitung bezeichnet. Die Formel für die durch den Leitungsprozess übertragene Wärme lautet:
Q = kA(T Heiß -T Kalt) t/d
Wo,
Q ist die durch Leitung übertragene Wärme
k ist die Wärmeleitfähigkeit des Materials
A ist die Fläche der Oberfläche
THeißist die Temperatur der heißen Oberfläche
TKaltist die Temperatur der kalten Oberfläche
Es ist Zeit
d ist die Dicke des Materials
Konvektion
Die Übertragung von Wärme durch Flüssigkeiten und Gase wird Konvektion genannt. Die Formel für die durch Konvektion übertragene Wärme lautet:
Q = H C BEI Heiß -T Kalt )
Wo,
Q ist die durch Konvektion übertragene Wärme
HCist der Wärmeübergangskoeffizient
A ist die Fläche der Oberfläche
THeißist die Temperatur des heißen Systems
TKaltist die Temperatur des kalten Systems
Strahlung
Die Übertragung von Wärme durch elektromagnetische Wellen wird Strahlung genannt. Die Formel für die durch den Strahlungsprozess übertragene Wärme lautet:
Q = σ (T Heiß - T Kalt) 4 A
Wo,
Q ist die durch Strahlung übertragene Wärme
σ ist die Stefan-Boltzmann-Konstante
T Heiß ist die Temperatur des heißen Systems
T Kalt ist die Temperatur des kalten Systems
A ist die Fläche der Oberfläche
Die Stefan-Boltzmann-Konstante (σ) wird wie folgt berechnet:
σ = 2.p 5 K B 4 / 15 Std 3 C 2 = 5,670367(13) × 10 -8 J . M -2 . S -1 . K -4
Wo,
σ ist die Stefan-Boltzmann-Konstante
pi(π) ∼=
k B ist die Boltzmann-Konstante
h ist das Plancksche Wirkungsquantum
c ist die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum
Beispielprobleme
Aufgabe 1: Ein System mit einer Masse von 10 kg und einer Anfangstemperatur von 200 K wird auf 450 K erhitzt. Die spezifische Wärmekapazität des Systems beträgt 0,91 KJ/kg K. Berechnen Sie die Wärme, die das System bei diesem Prozess gewinnt.
Lösung:
Laut Frage,
Masse, m = 10 kg
Spezifische Wärmekapazität, c = 0,91 KJ/kg K
Anfangstemperatur, T ich = 200 K
Endtemperatur, T F = 450 K
Temperaturänderung, ΔT = 450K – 200K = 250K
Mithilfe der Wärmeübertragungsformel
Q = c × m × ΔT
Q = 0,91 x 10 x 250
Q = 2275 KJ
Daher beträgt die vom System gewonnene Gesamtwärme 2275 KJ.
Problem 2: Die spezifische Wärme von Eisen beträgt 0,45 J/g°C. Welche Eisenmasse ist für eine Wärmeübertragung von 1200 Joule erforderlich, wenn die Temperaturänderung 40 °C beträgt?
Lösung:
Laut Frage,
Spezifische Wärme von Eisen, c = 0,45 J/g°C
Temperaturänderung, ΔT = 40°C
Übertragene Wärmemenge, Q = 1200 J
Mithilfe der Wärmeübertragungsformel
Q = c × m × ΔT
m = Q /(c x ΔT)
m = 1200 /(0,45 x 40)
m = 66,667 g
Daher beträgt die erforderliche Eisenmasse für eine Wärmeübertragung von 1200 Joule 66,667 Gramm.
Problem 3: Betrachten Sie zwei Wassersäulen mit unterschiedlichen Temperaturen, die durch eine Glaswand mit einer Länge von 3 m, einer Breite von 1,5 m und einer Dicke von 0,005 m getrennt sind. Eine Wassersäule liegt bei 380 K und die andere bei 120 K. Berechnen Sie die übertragene Wärmemenge, wenn die Wärmeleitfähigkeit von Glas 1,4 W/mK beträgt.
Lösung:
Laut Frage,
Wärmeleitfähigkeit von Glas, k = 1,4 W/mK.
Temperatur der ersten Wassersäule, T Heiß = 380K
Temperatur der zweiten Wassersäule, T Kalt = 120K
Fläche der Glaswand, die zwei Säulen trennt, A = Länge x Breite = 3 m x 1,5 m = 4,5 m 2
Dicke des Glases, d = 0,005 m
Unter Verwendung der Wärmeübertragungsformel für die Leitung,
Q = kA(T Heiß -T Kalt )t / d
Q = 1,4 x 4,5 (380-120) / 0,005
Q = 327600 W
Daher beträgt die übertragene Wärmemenge 327.600 Watt.
Aufgabe 4: Berechnen Sie die Wärmeübertragung durch Konvektion, wenn der Wärmeübertragungskoeffizient eines Mediums 8 W/(m) beträgt 2 K) und die Die Fläche beträgt 25 m 2 und der Temperaturunterschied beträgt 20K.
Lösung:
Laut Frage,
Wärmeübergangskoeffizient, H C = 8 W/(m 2 K)
Fläche, A = 25m 2
Temperaturänderung, (T Heiß - T Kalt) = 20K
Unter Verwendung der Wärmeübertragungsformel für Konvektion,
Q = H C BEI Heiß -T Kalt )
Q = 8 x 25 x 20
Q = 4000 W
Daher beträgt die durch Konvektion übertragene Wärmemenge 4000 Watt.
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Aufgabe 5: Berechnen Sie die Wärmeübertragung durch Strahlung zwischen zwei schwarzen Körpern bei Temperaturen von 300 K und 430 K und einer Fläche des Mediums von 48 m 2 . (Gegebene Stefan-Boltzmann-Konstante, σ = 5,67 x 10 -8 W/(m 2 K 4 ) ).
Lösung:
Laut Frage,
Temperatur des heißen Körpers, THeiß= 430K
Temperatur des kalten Körpers, TKalt= 300K
Temperaturänderung, (THeiß- TKalt) = 430K – 300K = 130K
Fläche, A = 48 m2
Stefan Boltzmann Konstante, σ = 5,67 x 10-8W/(m2K4)
Unter Verwendung der Wärmeübertragungsformel für Strahlung,
Q = σ (THeiß-TKalt)4A
Q = 5,67 x 10-8x 1304x 48
Q = 777,3 W
Daher beträgt die durch Strahlung übertragene Wärmemenge 777,3 Watt.