Language
Country/Area
No result found
Магия теплового потока: как он бесшумно передается между воздухом и предметами?
В физике и технике тепловой поток или плотность теплового потока, иногда называемая интенсивностью теплового потока, — это количество энергии, протекающее через единицу площади за единицу времени. Единицей измерения этого понятия является ватт на квадратный метр (Вт/м2). Тепловой поток имеет направление и величину и поэтому считается векторной величиной. Будь то в науке или технике, правильное измерение и применение концепции теплового потока имеет решающее значение для понимания и улучшения различных систем терморегулирования.
Тепловой поток присутствует повсюду: как в нашей повседневной жизни, так и в высокотехнологичных инженерных приложениях.
Определение и применение теплового потока
Чтобы определить тепловой поток в точке пространства, мы обычно рассматриваем бесконечно малые поверхностные состояния. Тепловой поток часто обозначается как
�
, а подтегq указывает, что это тепловой поток, а не поток массы или импульса. Закон Фурье — один из важных законов, описывающих поток тепла, особенно в твердых материалах, где тепло передается в основном за счет теплопроводности.
Закон Фурье гласит, что тепловой поток всегда течет из областей с высокой температурой в области с низкой температурой.
Закон Фурье и его расширения
Выражение закона Фурье в одном измерении:
φq = -k * dT(x)/dx
Где k — теплопроводность. Отрицательный знак указывает на то, что тепловой поток направлен в область с более низкой температурой. Когда мы исследуем многомерные ситуации, тепловой поток по-прежнему следует схожим принципам:
Здесь ∇ — оператор градиента, который показывает связь между тепловым потоком и градиентом температуры.
Методы измерения теплового потока
Существует несколько способов измерения теплового потока. Во-первых, мы можем измерить поток тепла через материал с известной теплопроводностью, аналогично измерению падения напряжения на известном резисторе при измерении электрического тока. Однако этот подход относительно сложно реализовать на практике, поскольку тепловое сопротивление материала обычно неясно, поэтому точная толщина материала и теплопроводность имеют решающее значение.
Если теплопроводность неизвестна, эффективным инструментом измерения является датчик теплового потока.
Другой способ измерения теплового потока — использование датчика теплового потока или преобразователя теплового потока, который напрямую измеряет количество тепла, передаваемого поверхностью, на которой он установлен. Поэтому, даже если значения теплового сопротивления или теплопроводности не обязательно знать, мы можем проводить измерения на месте.
Применение тепловых датчиков потока
Обычные датчики теплового потока, такие как дифференциальные термобатареи, имеют базовый принцип, аналогичный первому методу измерения, упомянутому выше, но не требуют знания теплового сопротивления или теплопроводности продукта. Это делает тепловые датчики потока более гибкими во многих практических применениях. Однако эти термобатареи необходимо калибровать, чтобы преобразовать их выходной сигнал (обычно измеряемый в микровольтах) в значение теплового потока (измеряемое в ваттах на квадратный метр на градус Кельвина). После калибровки датчик теплового потока можно использовать для непосредственного измерения теплового потока без необходимости знать его тепловое сопротивление или теплопроводность.
В науке и технике энергетический баланс является важным инструментом для анализа теплового потока и систем терморегулирования.
Анализ теплового потока в науке и технике
Ученые и инженеры часто полагаются на инструмент энергетического баланса, который можно применить к любой физической системе, от химических реакторов до биологических организмов. Формула энергетического баланса выглядит следующим образом:
∂Eвход/∂t - ∂Eвыход/∂t - ∂Eнакопленное/∂t = 0Здесь три элемента представляют собой общее изменение энергии, поступающей в систему, общее изменение энергии, покидающей систему, и совокупное изменение энергии внутри системы. Если единственным способом передачи энергии является тепловой поток, то для расчета энергетического баланса можно использовать скорость теплового потока. Даже в практических приложениях, где невозможно узнать точный тепловой поток в каждой точке поверхности, можно использовать приближенные схемы для выполнения расчетов, такие как метод интегрирования Монте-Карло.
С развитием технологий важность измерения и контроля теплового потока становится все более заметной. Она играет важную роль в различных приложениях, таких как управление температурой зданий, проектирование рассеивания тепла электронного оборудования и многих промышленных процессов. Можем ли мы в этом быстро меняющемся мире глубже понять тайны теплового потока, чтобы развивать науку и технологии?
