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 keseimbangan terma dicapai atau sumber luaran mengekalkan perbezaan suhu. Tiga mekanisme utama pemindahan haba ialah konduksi, perolakan dan sinaran.
Konduksi memindahkan tenaga melalui interaksi setempat
Dalam konduksi, tenaga dipindahkan melalui perlanggaran, getaran dan interaksi mikroskopik antara zarah tanpa aliran pukal bahan. Dalam logam, elektron mudah bergerak turut menyumbang kuat kepada pengangkutan tenaga. Kadar konduksi bergantung pada perbezaan suhu, luas laluan, ketebalan bahan dan kekonduksian terma. Penebat berfungsi dengan mengehadkan laluan pemindahan ini. Bagi slab seragam dalam keadaan mantap, 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 ketumpatan akibat pemanasan dan daya apungan boleh menghasilkan aliran. Dalam perolakan paksa, kipas atau pam menggerakkan bendalir. 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.
Sinaran tidak memerlukan medium bahan
Semua objek yang mempunyai suhu melebihi sifar mutlak memancarkan sinaran elektromagnet. Pemindahan haba melalui sinaran boleh berlaku merentasi vakum, sebab itu tenaga daripada Matahari dapat sampai ke Bumi. Kuasa sinaran terma meningkat dengan kuat apabila suhu mutlak 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.
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 sinaran inframerah. 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 magnitud 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 pengaliran haba 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?
Apakah ciri utama konduksi haba?