În primul rând, ar trebui să știm că transferul de căldură este cauzat de diferența de temperatură din interiorul sau între obiecte. Dacă nu există energie externă, conform celei de-a doua legi a termodinamicii, căldura este întotdeauna transferată automat dintr-un loc cu o temperatură ridicată într-un loc cu o temperatură mai scăzută.
Există trei modalități de bază de transfer de căldură: conducerea căldurii, convecția de căldură și radiația de căldură. Cele trei metode de transfer de căldură sunt introduse mai jos.
(1) Conducerea căldurii
Când nu există o deplasare relativă între diferitele părți ale obiectului, transferul de energie termică generat de mișcarea termică a moleculelor, atomilor și electronilor liberi și a altor particule microscopice devine conducere de căldură.
Formula de bază de calcul a conducerii căldurii este legea lui Fourier&# 39: căldura transferată prin conducerea căldurii într-o unitate de timp este proporțională cu aria secțiunii transversale perpendiculare pe fluxul de căldură și proporțional cu gradientul de temperatură. Semnul negativ indică faptul că direcția de conducere a căldurii este opusă direcției gradientului de temperatură.
Conductivitatea termică este o proprietate fizică inerentă a unui material, care reprezintă conductivitatea termică a materialului. Cu cât conductivitatea termică este mai mare, cu atât conductivitatea termică a materialului este mai bună.
(2) Convecție termică
Convecția termică se referă la deplasarea relativă dintre diferite părți ale fluidului cauzată de mișcarea macroscopică a fluidului și procesul de transfer de căldură cauzat de amestecul fluidelor reci și fierbinți. Convecția termică are loc numai în fluid. Deoarece moleculele din fluid vor efectua, de asemenea, mișcare termică neregulată în același timp, convecția termică este întotdeauna însoțită de conducerea căldurii.
Într-o situație obișnuită în inginerie, un fluid curge printr-un obiect și generează un proces de transfer de căldură între suprafața sa. Acest fenomen se numește proces de convectie prin transfer termic.
Transferul de căldură prin convecție este împărțit în două tipuri: convecție naturală și convecție forțată.
Convecția naturală este cauzată de densitatea diferită a părților reci și fierbinți ale fluidului. De exemplu, aerul din apropierea radiatorului este încălzit și curge în sus.
Convecția forțată se datorează fluxului de fluid datorat diferenței de presiune. De exemplu, apa de răcire este condusă de o pompă de apă pentru a curge în loc să aibă o diferență de densitate.
Formula de bază de calcul pentru convecția de căldură este formula newtoniană de răcire.
Coeficientul de transfer termic convectiv este legat de mulți factori din procesul de transfer termic. De exemplu, proprietățile fizice ale obiectului, poziția relativă a formei și dimensiunii suprafeței de schimb de căldură și debitul fluidului. În analiza convecției, este de obicei necesar să se utilizeze analize teoretice sau metode experimentale pentru a calcula coeficientul de transfer termic convectiv de pe suprafața obiectului.
(3) Radiații termice
Modul în care obiectele transferă energia prin unde electromagnetice devine radiație. Obiectele emit radiații din diverse motive, printre care fenomenul de energie radiantă emisă de căldură se numește radiație termică.
Diferența dintre radiații și primele două metode de transfer de căldură este că primele două necesită prezența materiei, iar radiația poate transfera energie în vid și chiar cel mai eficient transfer în vid.
Ingineria ia în considerare de obicei radiația dintre două sau mai multe obiecte și fiecare obiect din sistem radiază și absoarbe căldură în același timp. Transferul net de căldură dintre ele este calculat folosind ecuația lui Stephen Boltzmann.