Flux de caldura - Heat flux

Flux de caldura
Fluxul de căldură printr-o suprafață.${\ displaystyle {\ overrightarrow {\ phi _ {\ text {q}}}}}$
Simboluri comune	${\ displaystyle {\ overrightarrow {\ phi _ {\ text {q}}}}}$
Unitatea SI	L / m 2
Alte unități	Btu / (h⋅ft 2 )
În unitățile de bază SI	kg⋅s −3
Dimensiune	${\ displaystyle {\ mathsf {M}} {\ mathsf {T}} ^ {- 3}}$

Fluxul de căldură sau fluxul termic , denumit uneori și densitatea fluxului de căldură , densitatea fluxului de căldură sau intensitatea debitului de căldură este un flux de energie pe unitate de suprafață pe unitate de timp. În SI unitățile sale sunt wați pe metru pătrat (W / m ² ). Are atât o direcție, cât și o magnitudine, deci este o mărime vectorială . Pentru a defini fluxul de căldură într-un anumit punct al spațiului, se ia cazul limitativ în care dimensiunea suprafeței devine infinit de mică.

Fluxul de căldură este adesea notat , indicele q specificând fluxul de căldură , spre deosebire de fluxul de masă sau de impuls . Legea lui Fourier este o aplicație importantă a acestor concepte. ${\ displaystyle {\ overrightarrow {\ phi _ {\ text {q}}}}}$

Legea lui Fourier

Pentru majoritatea solidelor în condiții obișnuite, căldura este transportată în principal prin conducție, iar fluxul de căldură este descris în mod adecvat de legea lui Fourier.

Legea lui Fourier într-o singură dimensiune

${\ displaystyle \ phi _ {\ text {q}} = - k {\ frac {dT (x)} {dx}}}$

unde este conductivitatea termică . Semnul negativ arată că fluxul de căldură se deplasează de la regiuni cu temperatură mai înaltă la regiuni cu temperatură mai scăzută. ${\ displaystyle k}$

Extensie multidimensională

Diagramă care prezintă fluxul de căldură printr-un material termoizolant cu conductivitate termică, k și grosime, x. Fluxul de căldură poate fi determinat folosind două măsurători ale temperaturii de suprafață de pe ambele părți ale materialului folosind senzori de temperatură dacă k și x ale materialului sunt, de asemenea, cunoscute.

Diagramă care prezintă fluxul de căldură printr-un material termoizolant cu conductivitate termică, k și grosime, x. Fluxul de căldură poate fi măsurat direct utilizând un singur senzor de flux de căldură situat fie pe suprafață, fie încorporat în material. Folosind această metodă, nu sunt necesare cunoașterea valorilor lui k și x ale materialului.

Cazul multidimensional este similar, fluxul de căldură coboară și, prin urmare, gradientul de temperatură are semnul negativ:

${\ displaystyle {\ overrightarrow {\ phi _ {\ mathrm {q}}}} = - k \ nabla T}$

unde este operatorul de gradient . ${\ displaystyle {\ nabla}}$

Măsurarea fluxului de căldură

Măsurarea fluxului de căldură poate fi efectuată în câteva moduri diferite. O metodă cunoscută în mod obișnuit, dar adesea impracticabilă, se realizează prin măsurarea diferenței de temperatură pe o bucată de material cu conductivitate termică cunoscută . Această metodă este analogă cu un mod standard de măsurare a unui curent electric, în care se măsoară căderea de tensiune peste un rezistor cunoscut . De obicei, această metodă este dificil de realizat, deoarece rezistența termică a materialului testat este adesea necunoscută. Pentru a determina rezistența termică ar fi necesare valori precise pentru grosimea materialului și conductivitatea termică. Folosind rezistența termică, împreună cu măsurătorile de temperatură pe ambele părți ale materialului, fluxul de căldură poate fi apoi calculat indirect.

O a doua metodă de măsurare a fluxului de căldură este prin utilizarea unui senzor de flux de căldură sau transductor de flux de căldură, pentru a măsura direct cantitatea de căldură transferată către / de la suprafața pe care este montat senzorul de flux de căldură. Cel mai comun tip de senzor de flux de căldură este un termopil de temperatură diferențială care funcționează în esență pe același principiu ca prima metodă de măsurare menționată, cu excepția faptului că are avantajul că rezistența termică / conductivitatea nu trebuie să fie un parametru cunoscut. Acești parametri nu trebuie să fie cunoscuți, deoarece senzorul fluxului de căldură permite o măsurare in situ a fluxului de căldură existent utilizând efectul Seebeck . Cu toate acestea, senzorii diferențiali de flux de căldură termopil trebuie să fie calibrați pentru a raporta semnalele de ieșire [μV] la valorile fluxului de căldură [W / (m ² ⋅K)]. Odată calibrat senzorul de flux de căldură, acesta poate fi folosit pentru a măsura direct fluxul de căldură fără a necesita valoarea rar cunoscută a rezistenței termice sau a conductivității termice.

Relevanță pentru știință și inginerie

Unul dintre instrumentele din cutia de instrumente a unui om de știință sau inginer este echilibrul energetic . Un astfel de echilibru poate fi stabilit pentru orice sistem fizic, de la reactoare chimice la organisme vii și, în general, ia următoarea formă

${\ displaystyle {\ big.} {\ frac {\ partial E _ {\ mathrm {in}}} {\ partial t}} - {\ frac {\ partial E _ {\ mathrm {out}}} {\ partial t} } - {\ frac {\ partial E _ {\ mathrm {acumulat}}} {\ partial t}} = 0}$

unde cei trei termeni reprezintă rata de schimbare a timpului respectiv a cantității totale de energie primită, a cantității totale de energie de ieșire și a cantității totale de energie acumulată. ${\ displaystyle {\ big.} {\ frac {\ partial E} {\ partial t}}}$

Acum, dacă singurul mod în care sistemul schimbă energie cu împrejurimile sale este prin transferul de căldură, rata de căldură poate fi utilizată pentru a calcula bilanțul energetic, deoarece

${\ displaystyle {\ frac {\ partial E _ {\ mathrm {in}}} {\ partial t}} - {\ frac {\ partial E _ {\ mathrm {out}}} {\ partial t}} = \ oint _ {S} {\ overrightarrow {\ phi _ {\ mathrm {q}}}} \ cdot \, {\ overrightarrow {dS}}}$

unde am integrat fluxul de căldură pe suprafața sistemului. ${\ displaystyle {\ overrightarrow {\ phi _ {\ text {q}}}}}$${\ displaystyle S}$

În aplicațiile din lumea reală nu se poate cunoaște fluxul de căldură exact în fiecare punct de pe suprafață, dar schemele de aproximare pot fi utilizate pentru a calcula integralul, de exemplu integrarea Monte Carlo .

Vezi si

• Flux radiant
• Fluxul de căldură latent
• Rata debitului de căldură
• Expunere la soare
• Senzor de flux de căldură
• Conducerea relativistă a căldurii

Note