Beregning av varmestrøm

Mint Images RF/Getty Images

De varmestrøm er hastigheten som varme overføres med over tid. Fordi det er en hastighet av varmeenergi over tid, er JA enhet av varmestrømmen er joule per sekund , eller watt (W).

Varme strømmer gjennom materielle gjenstander gjennom ledning , med oppvarmede partikler som gir sin energi til nabopartikler. Forskere studerte strømmen av varme gjennom materialer i god tid før de i det hele tatt visste at materialene var laget av atomer, og varmestrøm er et av konseptene som var nyttige i denne forbindelse. Selv i dag, selv om vi forstår varmeoverføring å være relatert til bevegelsen til individuelle atomer, i de fleste situasjoner er det upraktisk og lite nyttig å prøve å tenke på situasjonen på den måten, og å gå tilbake for å behandle objektet i større skala er den mest hensiktsmessige måten å studere eller forutsi bevegelse av varme.

Matematikk av varmestrøm

Fordi varmestrømmen representerer strømmen av varme energi over tid kan du tenke på at det representerer en liten mengde varmeenergi, dQ ( Q er variabelen som vanligvis brukes for å representere varmeenergi), som overføres over en liten tidsperiode, dt . Bruke variabelen H for å representere varmestrøm, gir dette deg ligningen:

H = dQ / dt

Hvis du har tatt pre-calculus eller kalkulus , kan du innse at en endringshastighet som dette er et godt eksempel på når du ønsker å ta en grense når tiden nærmer seg null. Eksperimentelt kan du gjøre det ved å måle varmeendringen med mindre og mindre tidsintervaller.

Eksperimenter utført for å bestemme varmestrømmen har identifisert følgende matematiske forhold:

H = dQ / dt = kA ( T_H - T_C ) / L

Det kan virke som en skremmende rekke variabler, så la oss bryte ned disse (hvorav noen allerede er forklart):

• H : varmestrøm
• dQ : liten mengde varme som overføres over en tid dt
• dt : liten mengde tid over som dQ ble overført
• k : materialets varmeledningsevne
• EN : tverrsnittsareal av objektet
• T_H - T_C : temperaturforskjellen mellom de varmeste og kaldeste temperaturene i materialet
• L : lengden som varmen overføres over

Det er ett element i ligningen som bør vurderes uavhengig:

( T_H - T_C ) / L

Dette er temperaturforskjellen per lengdeenhet, kjent som temperaturgradient .

Termisk motstand

I ingeniørfag bruker de ofte konseptet termisk motstand, R , for å beskrive hvor godt en termisk isolator hindrer varme fra å overføres over materialet. For en plate av materiale av tykkelse L , er forholdet for et gitt materiale R = L / k , som resulterer i dette forholdet:

H = EN ( T_H - T_C ) / R