ο θερμικό ρεύμα είναι ο ρυθμός με τον οποίο μεταφέρεται η θερμότητα με την πάροδο του χρόνου. Επειδή πρόκειται για ρυθμό θερμικής ενέργειας με την πάροδο του χρόνου, η Μονάδα SI του θερμικού ρεύματος είναι joule ανά δευτερόλεπτο, ή watt (W).
Η θερμότητα ρέει μέσω υλικών αντικειμένων μέσω του μεταβίβαση, με θερμαινόμενα σωματίδια που μεταδίδουν την ενέργεια τους σε γειτονικά σωματίδια. Οι επιστήμονες μελέτησαν τη ροή της θερμότητας μέσω των υλικών πολύ πριν ακόμη ήξεραν ότι τα υλικά ήταν κατασκευασμένα από άτομα, και το ρεύμα θερμότητας είναι μία από τις έννοιες που ήταν χρήσιμες από την άποψη αυτή. Ακόμη και σήμερα, αν και καταλαβαίνουμε μεταφορά θερμότητας να σχετίζεται με την κίνηση μεμονωμένων ατόμων, στις περισσότερες περιπτώσεις δεν είναι πρακτικό και δεν βοηθάει να προσπαθήσουμε να σκεφτούμε την κατάσταση με αυτόν τον τρόπο, και η ανάκαμψη για να αντιμετωπίσουμε το αντικείμενο σε μεγαλύτερη κλίμακα είναι ο καταλληλότερος τρόπος για να μελετήσουμε ή να προβλέψουμε την κίνηση του θερμότητα.
Μαθηματικά του θερμικού ρεύματος
Επειδή το ρεύμα θερμότητας αντιπροσωπεύει τη ροή του θερμότητα με την πάροδο του χρόνου, μπορείτε να το σκεφτείτε ότι αντιπροσωπεύει μια μικρή ποσότητα θερμικής ενέργειας, dQ (Q είναι η μεταβλητή που χρησιμοποιείται συνήθως για την αντιπροσώπευση της θερμικής ενέργειας), που μεταδίδεται σε μικρό χρονικό διάστημα, dt. Χρησιμοποιώντας τη μεταβλητή H για να αντιπροσωπεύει το ρεύμα θερμότητας, αυτό σας δίνει την εξίσωση:
H = dQ / dt
Αν έχετε λάβει προ-λογισμό ή λογισμός, μπορεί να συνειδητοποιήσετε ότι ένας τέτοιος ρυθμός αλλαγής είναι ένα πρωταρχικό παράδειγμα όταν θέλετε να πάρετε ένα όριο καθώς ο χρόνος πλησιάζει στο μηδέν. Πειραματικά, μπορείτε να το κάνετε αυτό μετρώντας την αλλαγή θερμότητας σε μικρότερα και μικρότερα χρονικά διαστήματα.
Τα πειράματα που έγιναν για τον προσδιορισμό του θερμικού ρεύματος έχουν προσδιορίσει την ακόλουθη μαθηματική σχέση:
H = dQ / dt = kA (ΤH - Τντο) / μεγάλο
Αυτό μπορεί να φαίνεται σαν μια εκφοβιστική ποικιλία μεταβλητών, οπότε ας τα σπάσουμε αυτά (μερικά από τα οποία έχουν ήδη εξηγηθεί):
- H: ρεύμα θερμότητας
- dQ: μικρή ποσότητα θερμότητας που μεταφέρεται σε μια χρονική στιγμή dt
- dt: μικρό χρονικό διάστημα κατά το οποίο dQ μεταφέρθηκε
- κ: θερμική αγωγιμότητα του υλικού
- ΕΝΑ: επιφάνεια διατομής του αντικειμένου
- ΤH - Τντο: η διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ της θερμότερης και της ψυχρότερης θερμοκρασίας του υλικού
- μεγάλο: το μήκος κατά το οποίο μεταφέρεται η θερμότητα
Υπάρχει ένα στοιχείο της εξίσωσης που πρέπει να εξεταστεί ανεξάρτητα:
(ΤH - Τντο) / μεγάλο
Αυτή είναι η διαφορά θερμοκρασίας ανά μονάδα μήκους, γνωστή ως κλίση θερμοκρασίας.
Θερμική αντίσταση
Στη μηχανική, συχνά χρησιμοποιούν την έννοια της θερμικής αντίστασης, R, για να περιγράψει πόσο καλά ο θερμικός μονωτήρας εμποδίζει τη μεταφορά θερμότητας στο υλικό. Για μια πλάκα υλικού πάχους μεγάλο, η σχέση για ένα δεδομένο υλικό είναι R = μεγάλο / κ, με αποτέλεσμα αυτή τη σχέση:
H = ΕΝΑ(ΤH - Τντο) / R