Hukum Fourier dan Pengaliran Haba

Apabila dua bahagian bahan mempunyai suhu berbeza, tenaga haba mengalir secara bersih dari kawasan lebih panas ke kawasan lebih sejuk. Hukum Fourier memberi hubungan setempat antara aliran haba dan perubahan suhu terhadap kedudukan.

Fluks haba bertentangan arah dengan kecerunan suhu

Dalam satu dimensi, hukum Fourier boleh ditulis q = -k dT/dx, dengan q ialah fluks haba, k kekonduksian terma dan dT/dx kecerunan suhu. Tanda negatif menunjukkan haba mengalir ke arah suhu yang menurun.

Nilai k membezakan pengalir dan penebat

Bahan dengan k besar seperti banyak logam boleh memindahkan haba secara pengaliran dengan lebih cepat bagi geometri dan beza suhu yang sama. Bahan dengan k kecil bertindak sebagai penebat yang lebih baik.

Luas mempercepat, ketebalan memperlahankan pengaliran

Untuk slab seragam, kadar aliran haba bertambah dengan luas keratan A dan beza suhu, tetapi berkurang apabila ketebalan L meningkat. Hubungan ini menerangkan mengapa lapisan penebat yang lebih tebal mengurangkan kehilangan haba.

Contoh pengiraan: kaca tingkap

Sekeping kaca tingkap berluas 1.5 m² dan tebal 5 mm (0.005 m) mempunyai suhu 20 °C pada satu muka dan 10 °C pada muka yang satu lagi. Dengan k kira-kira 1.0 W m⁻¹ K⁻¹ bagi kaca, P = kA(T_h − T_c)/L = (1.0)(1.5)(10)/0.005 = 3000 W, iaitu kira-kira 3 kW. Nilai ini ialah anggaran bagi pengaliran melalui kaca sahaja dalam keadaan mantap; kehilangan haba tingkap sebenar lebih kecil kerana lapisan udara pada kedua-dua permukaan menambah rintangan terma.

Bentuk mudah mengandaikan keadaan tertentu

Persamaan slab yang ringkas paling sesuai untuk keadaan mantap, geometri satu dimensi dan kekonduksian yang hampir malar. Jika k berubah kuat dengan suhu, haba berubah mengikut masa atau geometri kompleks, persamaan perlu diselesaikan dalam bentuk yang lebih umum.

Bagaimana kita mengetahui hal ini?