हीट ट्रांसफर: कानून, ट्रांसमिशन के रूप, उदाहरण - शारीरिक - 2025

जब दोनों के बीच तापमान के अंतर के कारण ऊर्जा एक शरीर से दूसरे शरीर में जाती है तो गर्मी हस्तांतरण होता है। जैसे ही संपर्क में निकायों का तापमान बराबर होता है या उनके बीच का संपर्क हटा दिया जाता है, हीट ट्रांसफर प्रक्रिया बंद हो जाती है।

किसी निश्चित अवधि में एक शरीर से दूसरे शरीर में स्थानांतरित ऊर्जा की मात्रा को हस्तांतरित ऊष्मा कहते हैं। एक शरीर दूसरे को गर्मी दे सकता है, या इसे अवशोषित कर सकता है, लेकिन गर्मी हमेशा शरीर के उच्चतम तापमान के साथ सबसे कम तापमान वाले शरीर से जाती है।

चित्रा 1. एक अलाव में गर्मी हस्तांतरण के तीन तंत्र हैं: चालन, संवहन और विकिरण। स्रोत: पिक्साबे

ऊष्मा की इकाइयाँ ऊर्जा के समान हैं और माप की अंतर्राष्ट्रीय प्रणाली (SI) में यह जूल (J) है। गर्मी की अन्य अक्सर उपयोग की जाने वाली इकाइयाँ कैलोरी और बीटीयू होती हैं।

गर्मी हस्तांतरण को नियंत्रित करने वाले गणितीय कानूनों के लिए, वे विनिमय में शामिल तंत्र पर निर्भर करते हैं।

जब गर्मी एक शरीर से दूसरे शरीर में संचालित की जाती है, तो जिस दर पर गर्मी का आदान-प्रदान होता है वह तापमान के अंतर के अनुपात में होता है। इसे फूरियर के तापीय चालकता के नियम के रूप में जाना जाता है, जो न्यूटन के शीतलन के नियम की ओर जाता है।

गर्मी संचरण के फार्म / तंत्र

वे ऐसे तरीके हैं जिनमें दो निकायों के बीच गर्मी का आदान-प्रदान किया जा सकता है। तीन तंत्र पहचाने जाते हैं:

-Driving

-Convection

-Radiation

एक बर्तन में जैसे ऊपर की आकृति में दिखाया गया है, ये तीन हीट ट्रांसफर तंत्र हैं:

- बर्तन में धातु मुख्य रूप से चालन द्वारा गरम की जाती है।

पानी और हवा गर्म होते हैं और संवहन द्वारा बढ़ते हैं।

-पॉट के पास लोग उत्सर्जित विकिरण से गर्म होते हैं।

ड्राइविंग

ऊष्मा चालन अधिकतर ठोस और विशेष रूप से धातुओं में होता है।

उदाहरण के लिए, रसोई में स्टोव नीचे की धातु और कंटेनर की धातु की दीवारों के माध्यम से चालन तंत्र के माध्यम से बर्तन के अंदर भोजन को गर्मी पहुंचाता है। तापीय चालकता में कोई सामग्री परिवहन नहीं है, केवल ऊर्जा है।

कंवेक्शन

संवहन तंत्र तरल और गैसों की विशिष्ट है। ये उच्च तापमान पर लगभग हमेशा कम घने होते हैं, इस कारण से गर्म तरल भागों से ऊष्मा का एक अधिक परिवहन होता है जो ठंडे क्षेत्रों के साथ उच्च क्षेत्रों में होता है। संवहन तंत्र में पदार्थ परिवहन होता है।

विकिरण

अपने हिस्से के लिए, विकिरण तंत्र दो निकायों के बीच गर्मी विनिमय की अनुमति देता है, भले ही वे संपर्क में न हों। तत्काल उदाहरण सूर्य है, जो पृथ्वी को उनके बीच की खाली जगह के माध्यम से गर्म करता है।

सभी निकाय विद्युत चुम्बकीय विकिरण का उत्सर्जन और अवशोषित करते हैं। यदि आपके पास अलग-अलग तापमान पर दो शरीर हैं, तो एक वैक्यूम में होने के बाद भी, वे विद्युत चुम्बकीय विकिरण द्वारा गर्मी विनिमय के कारण समान तापमान तक पहुंच जाएंगे।

हीट ट्रांसफर रेट

संतुलन थर्मोडायनामिक प्रणालियों में, कुल गर्मी की मात्रा पर्यावरण के मामलों के साथ आदान-प्रदान की जाती है, ताकि प्रणाली एक संतुलन से दूसरे राज्य में पारित हो जाए।

दूसरी ओर, गर्मी हस्तांतरण में, ब्याज क्षणभंगुर घटना पर केंद्रित है, जब सिस्टम अभी तक थर्मल संतुलन तक नहीं पहुंचे हैं। यह ध्यान रखना महत्वपूर्ण है कि एक निश्चित अवधि में गर्मी की मात्रा का आदान-प्रदान होता है, अर्थात, गर्मी हस्तांतरण की गति होती है।

उदाहरण

- ऊष्मा चालन के उदाहरण

तापीय चालकता में, ऊष्मा ऊर्जा को सामग्री के परमाणुओं और अणुओं के बीच टकराव के माध्यम से प्रेषित किया जाता है, चाहे यह ठोस, तरल या गैस हो।

गैसों और तरल पदार्थों की तुलना में ठोस गर्मी के सुचालक होते हैं। धातुओं में मुक्त इलेक्ट्रॉन होते हैं जो धातु के माध्यम से आगे बढ़ सकते हैं।

जैसा कि मुक्त इलेक्ट्रॉनों में महान गतिशीलता होती है, वे अधिक कुशलतापूर्वक टकराव के माध्यम से गतिज ऊर्जा को संचारित करने में सक्षम होते हैं, यही कारण है कि धातुओं में उच्च तापीय चालकता होती है।

मैक्रोस्कोपिक दृष्टिकोण से, तापीय चालकता को प्रति यूनिट समय, या कैलोरी वर्तमान एच में स्थानांतरित गर्मी की मात्रा के रूप में मापा जाता है:

चित्रा 2. एक बार के माध्यम से गर्मी चालन। फैनी ज़पाटा द्वारा तैयार किया गया।

कैलोरिक वर्तमान एच क्षेत्र ए के क्रॉस सेक्शन और अनुदैर्ध्य दूरी के प्रति यूनिट तापमान में भिन्नता के लिए आनुपातिक है।

यह समीकरण आकृति 2 में एक की तरह एक बार की कैलोरी वर्तमान एच की गणना करने के लिए लागू किया जाता है, जो क्रमशः तापमान ₁ और टी _{2 के} दो जलाशयों के बीच होता है, जहां टी ₁ > टी ₂ ।

सामग्रियों की तापीय चालकता

नीचे केल्विन प्रति मीटर वाट में कुछ सामग्रियों की थर्मल चालकता की एक सूची है: W / (m। K)

एल्युमिनियम -------- 205

तांबा --------- 385

रजत ---------- ४००

स्टील --------- 50

कॉर्क या फाइबरग्लास - 0.04

कंक्रीट या कांच ----- 0.8

लकड़ी ----- 0.05 से 0.015

वायु --------- 0.024

- संवहन ऊष्मा के उदाहरण

गर्मी संवहन में, तरल पदार्थ के संचलन के कारण ऊर्जा को स्थानांतरित किया जाता है, जो विभिन्न तापमानों पर, विभिन्न घनत्व होते हैं। उदाहरण के लिए, जब पानी को एक बर्तन में उबाला जाता है, तो नीचे का पानी अपने तापमान को बढ़ाता है, इसलिए यह फैलता है।

यह विस्तार गर्म पानी को बढ़ाता है, जबकि ठंड उस गर्म पानी द्वारा छोड़े गए स्थान पर कब्जा करने के लिए नीचे जाती है। परिणाम एक संचलन आंदोलन है जो तब तक जारी रहता है जब तक कि सभी स्तरों का तापमान बराबर न हो जाए।

संवहन वह है जो पृथ्वी के वायुमंडल में बड़े वायु द्रव्यमान की गति को निर्धारित करता है और समुद्री धाराओं के परिसंचरण को भी निर्धारित करता है।

- विकिरण ऊष्मा के उदाहरण

चालन और संवहन द्वारा ऊष्मा संचरण के तंत्र में, ऊष्मा का संचार होने के लिए एक पदार्थ की उपस्थिति की आवश्यकता होती है। इसके विपरीत, विकिरण तंत्र में, गर्मी निर्वात के माध्यम से एक शरीर से दूसरे में जा सकती है।

यह वह तंत्र है जिसके द्वारा सूर्य, पृथ्वी से अधिक तापमान पर, अंतरिक्ष के निर्वात के माध्यम से सीधे हमारे ग्रह तक ऊर्जा पहुंचाता है। विद्युत चुम्बकीय तरंगों के माध्यम से विकिरण हमारे पास आता है।

सभी सामग्री विद्युत चुम्बकीय विकिरण का उत्सर्जन और अवशोषित करने में सक्षम हैं। उत्सर्जित या अवशोषित आवृत्ति की अधिकतम सामग्री के तापमान पर निर्भर करती है और तापमान के साथ यह आवृत्ति बढ़ जाती है।

काले शरीर के उत्सर्जन या अवशोषण स्पेक्ट्रम में प्रमुख तरंगदैर्ध्य, वीन के नियम का अनुसरण करती है, जिसमें कहा गया है कि प्रबल तरंगदैर्घ्य शरीर के तापमान के व्युत्क्रमानुपाती होता है।

दूसरी ओर, विद्युत (वाट्स में) जिसके साथ एक शरीर विद्युत चुम्बकीय विकिरण द्वारा गर्मी ऊर्जा का उत्सर्जन या अवशोषित करता है, निरपेक्ष तापमान की चौथी शक्ति के समानुपाती होता है। इसे स्टीफन के नियम के रूप में जाना जाता है:

पी = σA =T ⁴

उपरोक्त अभिव्यक्ति में an स्टीफन की स्थिरांक है और इसका मान 5.67 x 10-8 W / m ² K ^{4 है} । A शरीर का सतही क्षेत्र है और ε पदार्थ का उत्सर्जन है, एक आयामहीन स्थिरांक जिसका मान 0 और 1 के बीच है, और सामग्री पर निर्भर करता है।

व्यायाम हल किया

चित्रा 2 में बार पर विचार करें। मान लीजिए कि बार 5 सेमी लंबा, 1 सेमी त्रिज्या में है, और तांबे से बना है।

बार को दो दीवारों के बीच रखा जाता है जो इसके तापमान को स्थिर रखते हैं। पहली दीवार का तापमान T1 = 100ºC है, जबकि दूसरा T2 = 20 hasC पर है। निर्धारित करें:

a.- तापीय धारा H का मान

b.- तांबे की पट्टी का तापमान 2 सेमी, 3 सेमी पर और तापमान T1 की दीवार से 4 सेमी।

का हल

जैसा कि कॉपर बार को दो दीवारों के बीच रखा जाता है जिनकी दीवारें हर समय एक ही तापमान बनाए रखती हैं, यह कहा जा सकता है कि यह स्थिर अवस्था में है। दूसरे शब्दों में, तापीय धारा H का किसी भी तात्कालिक के लिए समान मान है।

इस वर्तमान की गणना करने के लिए हम उस सूत्र को लागू करते हैं जो तापमान में अंतर और बार की लंबाई के साथ वर्तमान एच से संबंधित है।

पार अनुभागीय क्षेत्र है:

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

बार के सिरों के बीच तापमान का अंतर है

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

Δx = 5 सेमी = 5 x 10 ^-2 मी

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

यह चालू पट्टी पर किसी भी बिंदु पर और किसी भी तात्कालिक स्थिति पर समान है, क्योंकि स्थिर स्थिति तक पहुंच गया है।

समाधान b

इस भाग में हमें दीवार T ₁ से दूरी Xp पर स्थित बिंदु P पर तापमान Tp की गणना करने के लिए कहा जाता है ।

बिंदु P पर कैलोरिक वर्तमान H प्रदान करने वाली अभिव्यक्ति है:

इस अभिव्यक्ति से, Tp द्वारा गणना की जा सकती है:

चलो संख्यात्मक मानों को प्रतिस्थापित करते हुए, क्रमशः 2 सेमी, 3 सेमी और 4 सेमी पदों पर तापमान टीपी की गणना करें:

• टीपी = 340.6 के = 67.6 डिग्री सेल्सियस; टी 1 से 2 सेमी
• टीपी = 324.4K = 51.4 डिग्री सेल्सियस; टी 1 से 3 सेमी
• टीपी = 308.2K = 35.2 डिग्री सेल्सियस; टी 1 से 4 सेमी

संदर्भ

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