Prenos toplote – razlika između verzija

[[FileDatoteka:Heat diffusion.png|thumb|Difuzija toplote]]

[[FileDatoteka:Hot metalwork.jpg|thumb|Radijacija toplote]]

[[FileDatoteka:Linear Heat flow.svg|thumb|Linearni protok toplote]]

U čvrstim telima su molekuli raspoređeni po čvorovima [[kristalna rešetka|kristalne rešetke]] na međusobnom rastojanju koje je određeno jačinom [[međumolekulska sila|međumolekulskih sila]], odnosno prirodom supstance. Oni osciluju oko svojih ravnotežnih položaja sa amplitudom i učestanošću proporcionalnim temperaturi tela. Ako se molekulima u jednom području tela povisi kinetička energija oscilovanja (temperatura), njihovo intenzivnije oscilovanje će se mehanički preneti na susedne molekule, sa ovih na sledeće itd, doći će do prenosa kinetičke energije molekula kroz telo – protoka toplote pri čemu molekuli zadržavaju svoja mesta u kristalnoj rešetki. Da bi do prenosa energije došlo, očigledno je da molekuli moraju stupati u međusobne fizičke kontakte. Brzina prenosa toplote kroz telo zavisi od veličine i mase pojedinih molekula, kao i sila koje među njima vladaju, karakteristična je za svako telo. Kod [[fluid|fluida]]a su međumolekulske sile mnogo slabije nego u čvrstom telu, tako da se molekuli kreću haotično u svim pravcima, međusobno se sudarajući i izmenjujući kinetičku energiju. Pri uslovima izjednačene temperature, molekuli fluida se nalaze u stanju dinamičke energetske ravnoteže, ali kada se u jednom području povisi temperatura, ravnoteža se remeti. Molekuli s viškom kinetičke energije se sudaraju sa drugim, sporijim molekulima i predaju im jedan deo te energije, pa se tako, u makro-smislu, kroz fluid prenosi toplota. Treba zapaziti da se ovde radi o mirnom fluidu kod kojeg u uobičajenom smislu nije moguće primetiti bilo kakvo kretanje. Ono se odvija isključivo na molekulskom nivou. Kao kod čvrstih tela, i ovde brzina prenosa toplote zavisi od brzine i mase molekula, što je uslovljeno prvenstveno prirodom fluida.

Ako se bilo koje parče nekog materijala zagreva na jednom mestu onda će se manje ili više zagrevati i ostala mesta tog materijala (npr ako se jedan kraj metalnog štapa stavi u plamen, a drugi drži u ruci osetiće se da se onaj deo koji se drži u ruci sve više greje iako nije u kontaktu sa plamenom). Uočeno je da su metali najbolji provodnici toplote. U metalima se prenos toplote može vršiti i [[elektron|slobodnim elektronima]].

Kada se na površinu hladne vode pažljivo unese određena količina tople vode, ona će se pod dejstvom jake mešalice veoma brzo raspodeliti po celoj raspoloživoj zapremini suda, tako da će posle vrlo kratkog vremena svuda biti konstantno povišena temperatura. Takvo izjednačavanje temperature u odsustvu mešanja, dakle konduktivnim putem, trajalo bi neuporedivo duže. Iz gornjeg primera sledi zaključak: brzo izjednačavanje temperature označava da je proces prenosa toplote u posmatranom sistemu brz. U tehnici je u načelu povoljno da se svi procesi, pa i procesi prenosa toplote intenziviraju. Stoga se pri prenosu toplote kroz fluide uvek gde je to moguće radije koristi konvekcija, nego kondukcija, pri čemu se istovremeno vodi računa i o utrošku energije potrebne za mešanje fluida. Zato je uvek poželjnije da se mešanje izvede bez upotrebe mehaničkih sredstava – samo pod dejstvom razlike u gustini fluida prouzrokovane najčešće temperaturnim razlikama u njemu. Takva se situacija ostvaruje kod tečnosti u sudu koja se zagreva kroz dno: topliji (ređi) slojevi se podižu ka vrhu, ustupajući mesto hladnijim (gušćim) slojevima koji padaju ka dnu suda. Uspostavlja se strujanje čiji je intenzitet srazmeran temperaturnoj razlici dna i vrha suda. Tokom zagrevanja se ova razlika smanjuje, pa i intenzitet mešanja, odakle je očito da ovakav proces prenosa toplote prirodnom konvekcijom ima ozbiljnih ograničenja. Stoga se u situacijama gde je potrebno prenos toplote učiniti intenzivnijim i uopšte, podložnijim regulaciji, uvodi prinudno, mehaničko mešanje, pa se proces prenosa toplote u takvim uslovima naziva prinudna konvekcija.

Konvekcija se može pokazati na prostom primeru zagrevanja prostorije pomoću radijatora. Temperatura tečnosti u radijatoru je znatno viša od temperature vazduha u prostoriji. Usled toga vazduh koji se dodiruje sa radijatorom biva zagrejan, usled čega mu se smanjuje [[gustina]]. Zbog toga se topao vazduh kreće naviše. Njegovo kretanje naviše izaziva potiskivanje hladnijih delova vazduha naniže. Usled toga hladan vazduh dolazi radijatoru sa donje strane, dok sa gornje strane radijatora odlazi topao vazduh. Na taj način se uspostavi prirodna cirkulacija vazduha oko radijatora, te se tako toplota prenese po celoj prostoriji.

Razni vetrovi u atmosferi takođe su vrsta konvekcije kojom se topao vazduh prenosi sa jednog dela Zemljine površine na drugi. Poznate su i razne [[morske struje|struje u okeanima i morima]], među kojima je najpoznatija [[Golfska struja]]. Kod takvih struja se toplota sa [[ekvator|ekvatora]]a prenosi na velike daljinje putem površinskog strujanja morske vode, dok se, sa druge strane, hladna voda kreće po dnu okeana u suprotnom smeru.

# Za a = 1, apsolutno crno telo; apsorbuje svu toplotu;

: σ = 5.7⋅10⁻⁸ W/m²K⁴ Štefan-Bolcmanova konstanta

* [https://www.thermalfluidscentral.org/e-books/book-intro.php?b=37 Advanced Heat and Mass Transfer]

* [https://www.thermalfluidscentral.org/encyclopedia/index.php/Main_Page Thermal-FluidsPedia]

* [http://www.comsol.com/products/ht/ COMSOL Heat Transfer Module]