PAGLILIPAT NG INIT: MGA BATAS, ANYO NG PAGHAHATID, HALIMBAWA - PISIKAL - 2025

Mayroong paglilipat ng init kapag ang enerhiya ay napupunta mula sa isang katawan patungo sa isa pa dahil sa pagkakaiba-iba ng temperatura sa pagitan ng dalawa. Ang proseso ng paglilipat ng init ay tumigil sa lalong madaling panahon ng mga temperatura ng mga katawan na magkakaugnay o kapag ang contact sa pagitan ng mga ito ay tinanggal.

Ang dami ng enerhiya na inilipat mula sa isang katawan sa iba pa sa isang naibigay na tagal ng panahon ay tinatawag na inilipat na init. Ang isang katawan ay maaaring magbigay ng init sa iba pa, o maaari itong sumipsip, ngunit ang init ay palaging lumalabas mula sa katawan na may pinakamataas na temperatura sa katawan na may pinakamababang temperatura.

Larawan 1. Sa isang apoy ay mayroong tatlong mekanismo ng paglipat ng init: pagpapadaloy, kombeksyon at radiation. Pinagmulan: Pixabay.

Ang mga yunit ng init ay pareho sa mga enerhiya at sa pandaigdigang sistema ng mga sukat (SI) ito ang joule (J). Ang iba pang mga madalas na ginagamit na yunit ng init ay ang calorie at BTU.

Tulad ng para sa mga batas sa matematika na namamahala sa paglipat ng init, nakasalalay sila sa mekanismo na kasangkot sa palitan.

Kung ang init ay isinasagawa mula sa isang katawan patungo sa isa pa, ang rate kung saan ipinapalit ang init ay proporsyonal sa pagkakaiba sa temperatura. Ito ay kilala bilang batas ng Fourier ng thermal conductivity, na humahantong sa batas ng paglamig ng Newton.

Mga form / mekanismo ng paghahatid ng init

Ang mga ito ang mga paraan kung saan maaaring magpalitan ang init sa pagitan ng dalawang katawan. Tatlong mekanismo ay kinikilala:

-Pagsusulong

-Convection

-Radiation

Sa isang palayok tulad ng ipinakita sa figure sa itaas, mayroong tatlong mga mekanismo ng paglipat ng init:

-Ang metal sa palayok ay pinainit higit sa lahat sa pamamagitan ng pagpapadaloy.

-Ang tubig at hangin ay pinainit at tumataas sa pamamagitan ng pagpupulong.

-Ang mga taong malapit sa palayok ay pinainit ng radiation na pinalabas.

Pagmamaneho

Karamihan sa pagpapadaloy ay nangyayari sa mga solido at lalo na sa mga metal.

Halimbawa, ang kalan sa kusina ay nagpapadala ng init sa pagkain sa loob ng palayok sa pamamagitan ng mekanismo ng pagpapadaloy sa pamamagitan ng metal ng ibaba at ng mga dingding na metal ng lalagyan. Sa thermal conduction walang materyal na transportasyon, enerhiya lamang.

Pagpupulong

Ang mekanismo ng kombeksyon ay pangkaraniwang mga likido at gas. Ito ay halos palaging hindi gaanong siksik sa mas mataas na temperatura, para sa kadahilanang ito ay may paitaas na transportasyon ng init mula sa mga mas mainit na bahagi ng likido sa mas mataas na mga rehiyon na may mas malamig na mga bahagi ng likido. Sa mekanismo ng kombeksyon mayroong materyal na transportasyon.

Radiation

Para sa bahagi nito, ang mekanismo ng radiation ay nagbibigay-daan sa pagpapalitan ng init sa pagitan ng dalawang katawan kahit na hindi sila nakikipag-ugnay. Ang agarang halimbawa ay ang Araw, na pinapainit ang Earth sa pamamagitan ng walang laman na puwang sa pagitan nila.

Ang lahat ng mga katawan ay naglalabas at sumisipsip ng electromagnetic radiation. Kung mayroon kang dalawang katawan sa magkakaibang temperatura, kahit na sa isang vacuum, makalipas ang ilang sandali maabot nila ang parehong temperatura dahil sa init ng palitan ng electromagnetic radiation.

Ang rate ng paglipat ng init

Sa equilibrium thermodynamic system, ang halaga ng kabuuang init na ipinagpalit sa mga bagay sa kapaligiran, sa gayon ang sistema ay pumasa mula sa isang estado ng balanse sa iba pa.

Sa kabilang banda, sa paglilipat ng init, ang interes ay nakatuon sa transitoryal na hindi pangkaraniwang bagay, kapag ang mga system ay hindi pa nakarating sa thermal equilibrium. Mahalagang tandaan na ang halaga ng init ay ipinagpapalit sa isang tiyak na tagal ng panahon, iyon ay, mayroong isang bilis ng paglilipat ng init.

Mga halimbawa

- Mga halimbawa ng pagpapadaloy ng init

Sa thermal conductivity, ang enerhiya ng init ay ipinapasa sa pamamagitan ng banggaan sa pagitan ng mga atomo at molekula ng materyal, kung ito ay solid, likido o gas.

Ang mga solido ay mas mahusay na conductor ng init kaysa sa mga gas at likido. Sa mga metal mayroong mga libreng elektron na maaaring ilipat sa pamamagitan ng metal.

Dahil ang mga libreng elektron ay may mataas na kadaliang mapakilos, may kakayahang maipadala ang enerhiya ng kinetic sa pamamagitan ng mga pagbangga nang mas mahusay, na ang dahilan kung bakit ang mga metal ay may mataas na thermal conductivity.

Mula sa isang macroscopic point, ang thermal conductivity ay sinusukat bilang ang dami ng init na inilipat bawat oras ng yunit, o caloric kasalukuyang H:

Larawan 2. Mainit ang pagpapadaloy sa pamamagitan ng isang bar. Inihanda ni Fanny Zapata.

Ang caloric kasalukuyang H ay proporsyonal sa seksyon ng cross ng lugar A at ang pagkakaiba-iba sa temperatura sa bawat yunit ng paayon na distansya.

Ang equation na ito ay inilalapat upang makalkula ang caloric kasalukuyang H ng isang bar tulad ng isa sa figure 2, na kung saan ay sa pagitan ng dalawang mga reservoir ng temperatura na T ₁ at T ₂ ayon sa pagkakabanggit, kung saan ang T ₁ > T ₂ .

Mga thermal conductivities ng mga materyales

Nasa ibaba ang isang listahan ng thermal conductivity ng ilang mga materyales sa watts bawat metro bawat kelvin: W / (m. K)

Aluminyo -------- 205

Copper --------- 385

Pilak ---------- 400

Bakal ---------- 50

Cork o Fiberglass - 0.04

Konkreto o baso ----- 0.8

Kahoy ----- 0.05 hanggang 0.015

Hangin --------- 0.024

- Mga halimbawa ng heat heat

Sa pagpupulong ng init, ang enerhiya ay inilipat dahil sa paggalaw ng likido, na, sa iba't ibang mga temperatura, ay may iba't ibang mga density. Halimbawa, kapag ang tubig ay pinakuluang sa isang palayok, ang tubig na malapit sa ilalim ay nagdaragdag ng temperatura, kaya lumalawak ito.

Ang pagpapalawak na ito ay gumagawa ng pagtaas ng mainit na tubig, habang ang lamig ay bumaba upang sakupin ang puwang na naiwan ng mainit na tubig na tumaas. Ang resulta ay isang paggalaw ng sirkulasyon na nagpapatuloy hanggang sa ang temperatura ng lahat ng mga antas ay magkakapantay.

Ang kombinasyon ay kung ano ang tumutukoy sa paggalaw ng malalaking masa ng hangin sa kapaligiran ng Earth at tinutukoy din ang sirkulasyon ng mga alon sa dagat.

- Mga halimbawa ng init ng radiation

Sa mga mekanismo ng paghahatid ng init sa pamamagitan ng pagpapadaloy at sa pamamagitan ng pagpupulong, ang pagkakaroon ng isang materyal ay kinakailangan para maihatid ang init. Sa kaibahan, sa mekanismo ng radiation, ang init ay maaaring pumasa mula sa isang katawan patungo sa iba pa sa isang vacuum.

Ito ang mekanismo kung saan ang Araw, sa mas mataas na temperatura kaysa sa Earth, ay nagpapadala ng enerhiya sa ating planeta nang direkta sa pamamagitan ng vacuum ng espasyo. Ang radiation ay dumarating sa amin sa pamamagitan ng mga electromagnetic waves.

Ang lahat ng mga materyales ay may kakayahang magpalabas at sumisipsip ng electromagnetic radiation. Ang maximum ng pinalabas o hinihigop na dalas ay nakasalalay sa temperatura ng materyal at ang dalas na ito ay nagdaragdag sa temperatura.

Ang nangingibabaw na haba ng daluyong sa paglabas o pagsipsip ng isang itim na katawan ay sumusunod sa batas ni Wien, na nagsasaad na ang namamayani na haba ng haba ay proporsyonal sa kabaligtaran ng temperatura ng katawan.

Sa kabilang banda, ang kapangyarihan (sa mga watts) na kung saan ang isang katawan ay naglabas o sumisipsip ng enerhiya ng init sa pamamagitan ng electromagnetic radiation ay proporsyonal sa ika-apat na kapangyarihan ng ganap na temperatura. Ito ay kilala bilang batas ni Stefan:

P = εAσT ⁴

Sa expression sa itaas σ ay ang patuloy ni Stefan at ang halaga nito ay 5.67 x 10-8 W / m ² K ⁴ . Ang ay ang lugar ng ibabaw ng katawan at ang ε ay ang paglabas ng materyal, isang walang sukat na walang sukat na ang halaga ay nasa pagitan ng 0 at 1, at nakasalalay sa materyal.

Nalutas ang ehersisyo

Isaalang-alang ang bar sa Figure 2. Ipagpalagay na ang bar ay 5 cm ang haba, 1 cm sa radius, at gawa sa tanso.

Ang bar ay inilalagay sa pagitan ng dalawang pader na nagpapanatili ng temperatura nito. Ang unang pader ay may temperatura na T1 = 100ºC, habang ang iba naman ay nasa T2 = 20ºC. Alamin:

a.- Ang halaga ng thermal kasalukuyang H

b.- Ang temperatura ng tanso bar sa 2 cm, sa 3 cm at sa 4 cm mula sa pader ng temperatura T1.

Solusyon sa

Habang inilalagay ang tanso bar sa pagitan ng dalawang pader na ang mga dingding ay nagpapanatili ng parehong temperatura sa lahat ng oras, masasabi na ito ay nasa isang matatag na estado. Sa madaling salita, ang thermal kasalukuyang H ay may parehong halaga para sa anumang instant.

Upang makalkula ang kasalukuyang ito inilalapat namin ang formula na may kaugnayan sa kasalukuyang H na may pagkakaiba-iba ng mga temperatura at ang haba ng bar.

Ang lugar ng cross sectional ay:

A = πR ² = 3.14 * (1 × 10 ^-2 m) ² = 3.14 x 10 ^-4 m ²

Ang pagkakaiba sa temperatura sa pagitan ng mga dulo ng bar ay

ΔT = (100ºC - 20ºC) = (373K - 293K) = 80K

Δx = 5 cm = 5 x 10 ^-2 m

H = 385 W / (m K) * 3.14 x 10 ^-4 m ² * (80K / 5 x 10 ^-2 m) = 193.4 W

Ang kasalukuyang ito ay pareho sa anumang punto sa bar at sa anumang instant, dahil naabot ang matatag na estado.

Solusyon b

Sa bahaging ito hinihilingin nating kalkulahin ang temperatura Tp sa isang punto P na matatagpuan sa isang distansya Xp mula sa dingding T ₁ .

Ang expression na nagbibigay ng caloric kasalukuyang H sa point P ay:

Mula sa expression na ito, maaaring makalkula ang Tp ng:

Kinakalkula natin ang temperatura Tp sa mga posisyon ng 2 cm, 3 cm at 4 cm ayon sa pagkakabanggit, paghahalili ng mga halagang ayon sa numero:

• Tp = 340.6K = 67.6 ° C; 2 cm mula sa T1
• Tp = 324.4K = 51.4 ° C; 3 cm mula sa T1
• Tp = 308.2K = 35.2 ° C; 4 cm mula sa T1

Mga Sanggunian

1. Figueroa, D. 2005. Serye: Physics para sa Agham at Engineering. Dami 5. Mga likido at Thermodynamics. Na-edit ni Douglas Figueroa (USB).
2. Kirkpatrick, L. 2007. Physics: Isang Tumingin sa Mundo. Ika-6 na minutong edisyon. Pag-aaral ng Cengage.
3. Lay, J. 2004. Pangkalahatang Pisika para sa Mga Engineer USACH.
4. Mott, R. 2006. Mga Fluid Mechanics. Ika-4. Edisyon. Edukasyon sa Pearson.
5. Mga Strangeways, I. 2003. Pagsukat sa Likas na Kapaligiran. Ika-2. Edisyon. Pressridge University Press.
6. Wikipedia. Thermal conductivity. Nabawi mula sa: es.wikipedia.com