The prąd cieplny to szybkość, z jaką ciepło jest przenoszone w czasie. Ponieważ jest to tempo energii cieplnej w czasie, Jednostka SI prądu cieplnego wynosi dżul na sekundęlub wat (W).
Ciepło przepływa przez obiekty materialne przez przewodzenie, z podgrzewanymi cząsteczkami przekazującymi swoją energię sąsiednim cząsteczkom. Naukowcy badali przepływ ciepła przez materiały na długo, zanim nawet dowiedzieli się, że materiały te składają się z atomów, a prąd cieplny jest jedną z koncepcji, które były pomocne w tym względzie. Nawet dzisiaj, choć rozumiemy przenikanie ciepła być związanym z ruchem poszczególnych atomów, w większości sytuacji próba wymyślenia sytuacji jest niepraktyczna i nieprzydatna w ten sposób i cofnięcie się, aby potraktować obiekt na większą skalę, jest najbardziej odpowiednim sposobem badania lub przewidywania ruchu ciepło.
Matematyka prądu cieplnego
Ponieważ prąd cieplny reprezentuje przepływ energia cieplna z czasem możesz myśleć o tym jako o niewielkiej ilości energii cieplnej,
dQ (Q jest zmienną powszechnie stosowaną do reprezentowania energii cieplnej), przekazywaną w krótkim czasie, dt. Korzystanie ze zmiennej H. aby przedstawić prąd cieplny, daje to równanie:H. = dQ / dt
Jeśli wziąłeś rachunek wstępny lub rachunek różniczkowy, możesz zdać sobie sprawę z tego, że tempo zmian tego rodzaju jest doskonałym przykładem tego, kiedy chcesz wprowadzić limit, gdy czas zbliża się do zera. Możesz to zrobić eksperymentalnie, mierząc zmianę ciepła w coraz mniejszych odstępach czasu.
Eksperymenty przeprowadzone w celu ustalenia prądu cieplnego wykazały następujący związek matematyczny:
H. = dQ / dt = kA (T.H. - T.do) / L.
To może wydawać się zastraszającą tablicą zmiennych, więc podzielmy je (niektóre z nich zostały już wyjaśnione):
- H.: prąd cieplny
- dQ: niewielka ilość ciepła przekazywana w czasie dt
- dt: niewielka ilość czasu, w której dQ Zostało przeniesione
- k: przewodność cieplna materiału
- ZA: powierzchnia przekroju obiektu
- T.H. - T.do: różnica temperatur między najcieplejszymi i najzimniejszymi temperaturami w materiale
- L.: długość, na której przenoszone jest ciepło
Jest jeden element równania, który należy rozpatrywać niezależnie:
(T.H. - T.do) / L.
Jest to różnica temperatur na jednostkę długości, znana jako gradient temperatury.
Odporność termiczna
W inżynierii często używają koncepcji odporności termicznej, R, aby opisać, jak dobrze izolator termiczny zapobiega przenoszeniu ciepła przez materiał. Do płyty z materiału o grubości L., związek dla danego materiału jest R = L. / k, co powoduje tę relację:
H. = ZA(T.H. - T.do) / R