Langkau ke kandungan
Sainsuntuk Semua
Fizik / Termodinamik

Pemindahan Haba: Konduksi, Perolakan dan Sinaran

Istilah utama: Pemindahan habaSebutan: pe-min-da-han ha-baBahasa Inggeris: heat transfer

Tenaga haba boleh berpindah melalui konduksi, perolakan dan sinaran, dan ketiga-tiga mekanisme sering berlaku serentak dalam sistem sebenar.

Haba ialah tenaga yang berpindah kerana terdapat perbezaan suhu. Secara bersih, tenaga terma mengalir daripada kawasan bersuhu lebih tinggi ke kawasan bersuhu lebih rendah sehingga dicapai atau sumber luaran mengekalkan perbezaan suhu. Tiga mekanisme utama ialah , dan sinaran.

Konduksi memindahkan tenaga melalui interaksi setempat

Dalam konduksi, tenaga dipindahkan melalui perlanggaran, getaran dan interaksi antara zarah tanpa aliran pukal bahan. Dalam logam, mudah bergerak turut menyumbang kuat kepada pengangkutan tenaga. Kadar konduksi bergantung pada perbezaan suhu, luas laluan, ketebalan bahan dan . Penebat berfungsi dengan mengehadkan laluan pemindahan ini. Bagi slab seragam dalam , kadar konduksi ialah P = kA(Th − Tc)/L.

Perolakan membawa tenaga bersama aliran bendalir

Perolakan berlaku apabila cecair atau gas bergerak dan membawa tenaga terma bersamanya. Dalam perolakan semula jadi, perubahan akibat pemanasan dan boleh menghasilkan aliran. Dalam perolakan paksa, kipas atau pam menggerakkan . Kadar sebenar perolakan bergantung pada geometri, sifat bendalir, kelajuan aliran serta beza suhu. Secara empirik, kadar perolakan sering dimodelkan sebagai P = hAΔT, dengan h pekali pemindahan haba perolakan (bukan tinggi) yang sangat bergantung pada keadaan aliran, bendalir dan geometri.

Nota Istilahkekonduksian terma: Sifat bahan yang mengukur sejauh mana bahan itu menghantar tenaga haba melalui konduksi.

Sinaran tidak memerlukan medium bahan

Semua objek yang mempunyai suhu melebihi memancarkan sinaran elektromagnet. Pemindahan haba melalui sinaran boleh berlaku merentasi , sebab itu tenaga daripada Matahari dapat sampai ke Bumi. Kuasa meningkat dengan kuat apabila meningkat dan turut bergantung pada sifat permukaan, termasuk keemisian. Kuasa sinaran bersih antara permukaan beremisiviti ε dan luas A pada suhu T dengan persekitaran bersuhu Tsek ialah P = εσA(T⁴ − Tsek⁴), dengan σ ≈ 5.67 × 10⁻⁸ W m⁻² K⁻⁴.

Konduksi, perolakan dan sinaran ialah tiga mekanisme berasingan; sistem sebenar sering melibatkan ketiga-tiganya serentak.

Ketiga-tiga mekanisme sering berlaku serentak

Sebuah periuk di atas dapur memberikan contoh mudah. Tenaga dipindahkan melalui logam periuk secara konduksi, bendalir di dalamnya boleh beredar melalui perolakan, dan permukaan panas memancarkan . Mengelaskan sistem kepada satu mekanisme sahaja kadang-kadang berguna sebagai penghampiran, tetapi analisis kejuruteraan sebenar sering perlu menggabungkan beberapa laluan pemindahan haba.

Tiga contoh perbandingan bebas pada skala yang sama, semuanya anggaran. Setiap satu ialah sistem berasingan dan ketiga-tiganya bukan satu imbangan tenaga serentak. Perolakan: permukaan 1 m² pada 40 °C dalam udara 20 °C dengan h ≈ 5 W m⁻² K⁻¹ (nilai tipikal perolakan semula jadi yang berubah dengan aliran dan geometri) memberi P = hAΔT ≈ 5 × 1 × 20 = 100 W. Sinaran: permukaan 1 m² beremisiviti ε ≈ 0.9 pada 40 °C (313 K) dalam persekitaran 20 °C (293 K) memberi P = εσA(T⁴ − Tsek⁴) ≈ 0.9 × 5.67 × 10⁻⁸ × (313⁴ − 293⁴) ≈ 110 W. Konduksi: dinding bata 1 m² setebal 20 cm (k ≈ 0.8 W m⁻¹ K⁻¹) yang satu permukaannya 20 K lebih panas daripada permukaan satu lagi memberi P = kAΔT/L = 0.8 × 1 × 20/0.2 = 80 W. Bagi beza suhu kira-kira 20 K, ketiga-tiga mekanisme berada pada yang setaraf, jadi sinaran tidak patut diabaikan. Dalam keadaan sebenar mekanisme ini berlaku serentak dan perlu digabungkan dalam satu imbangan tenaga yang konsisten.

Sejarah ringkas

Isaac Newton memperkenalkan hukum penyejukan pada 1701, Joseph Fourier menerbitkan teori matematik pada 1822, dan Josef Stefan (1879) bersama Ludwig Boltzmann (1884) mengaitkan sinaran terma dengan kuasa empat suhu mutlak.

Keseimbangan terma menghentikan pemindahan bersih

Apabila dua bahagian sistem mencapai suhu yang sama dan tiada sumber lain mengekalkan perbezaan, tiada lagi pemindahan haba bersih antara bahagian itu. Proses mikroskopik masih berlaku dalam kedua-dua arah, tetapi kadar pemindahan tenaga bersih menjadi sifar. Idea ini membezakan keseimbangan terma daripada keadaan benar-benar tanpa gerakan zarah.

Bagaimana kita mengetahui hal ini?

Uji KefahamanSoalan 1 daripada 3

Apakah ciri utama konduksi haba?

Lihat Juga
Versi diterbitkan: