Istnieją trzy rodzaje wymiany ciepła , w tym wymiana ciepła poprzez przewodzenie, konwekcję i promieniowanie.
Przenoszenie ciepła przez przewodzenie. Gdy obiekt o wysokiej temperaturze styka się z obiektem o niskiej temperaturze, energia przemieszcza się od obiektu o wysokiej temperaturze do obiektu o niskiej temperaturze. Dodatkowa energia powoduje, że atomy i cząsteczki tworzące obiekt poruszają się szybciej. Podczas ruchu cząsteczki mają energię kinetyczną (EK = ½ mv 2 ). Szybciej poruszające się cząsteczki (o większej energii kinetycznej) zderzają się z cząsteczkami znajdującymi się obok nich. Te cząsteczki zderzają się następnie z innymi cząsteczkami znajdującymi się obok nich. I tak dalej. Tak więc cząsteczki zderzają się ze sobą, przenosząc energię. Przenoszenie ciepła , które następuje poprzez zderzenia między cząsteczkami tworzącymi obiekt, nazywa się przewodzeniem. Przewodzenie zwykle zachodzi w ciałach stałych lub ze ciał stałych do cieczy (ciecze do ciał stałych) lub ze ciał stałych do gazów (gazy do ciał stałych).
Przenoszenie ciepła przez konwekcję. Konwekcja zazwyczaj występuje w cieczach (takich jak woda) i gazach (takich jak powietrze). Konwekcja to przenoszenie ciepła, któremu towarzyszy ruch obiektu spowodowany zmianą jego gęstości. Gęstość obiektu zmienia się, ponieważ zmienia się jego objętość. Objętość obiektu zmienia się, ponieważ obiekt pochłania określoną ilość ciepła.
Przenoszenie ciepła przez promieniowanie. Promieniowanie to przenoszenie ciepła w postaci fal elektromagnetycznych. Przykładami promieniowania są ciepło odczuwane przez ciało w pobliżu pieca oraz promieniowanie ze słońca do ziemi. Słońce ma wyższą temperaturę (około 6000 kelwinów), podczas gdy Ziemia ma niższą temperaturę. Ta różnica temperatur między słońcem a ziemią powoduje, że ciepło przemieszcza się ze słońca (o wyższej temperaturze) do ziemi (o niższej temperaturze). Gdyby promieniowanie ze słońca do ziemi wymagało ośrodka, takiego jak przewodzenie i konwekcja, ciepło nie dotarłoby do ziemi, ponieważ musiałoby przejść przez próżnię.
Przykłady soal
1. 2015/2016 Pytanie nr 19 z egzaminu krajowego SMA/MA z fizyki
Metalowe pręty o tej samej średnicy, ale wykonane z różnych metali, połączono jak pokazano na poniższym rysunku. Jeśli przewodność cieplna metalu I jest czterokrotnie większa niż przewodność cieplna metalu II, to temperatura na styku obu metali wynosi…
A. 45oC
B. 40 o C
C. 35 o C
D. 30 o C
E. 25 o C
Pembahasan
Wiadomo, że:
Przewodność cieplna metalu I = 4k
Przewodność cieplna metalu II = k
Temperatura krawędzi metalu I = 50 o C
Temperatura krawędzi metalu II = 0 o C
Pytanie: Temperatura na styku dwóch metali
Jawab:
Wzór na szybkość przewodzenia ciepła:
Opis: Q/t = szybkość wymiany ciepła, k = przewodność cieplna, A = powierzchnia, T 1 -T 2 = zmiana temperatury, l = długość pręta
Oba metale mają tę samą wielkość, więc A i l usuwamy z równania.
Prawidłowa odpowiedź to B.
2. 2015/2016 Pytanie nr 19 z egzaminu krajowego SMA/MA z fizyki
Na poniższym rysunku przedstawiono pręty metalowe A i B różnych typów połączone jednym końcem.
Przekrój poprzeczny obu prętów jest taki sam, ale długość pręta A jest dwa razy większa niż długość pręta B, a współczynnik przewodzenia ciepła pręta A jest trzykrotnie większy od współczynnika przewodzenia ciepła pręta B. Jeżeli wolne końce prętów A i B zostaną poddane działaniu temperatur o różnych wartościach, to dokładna temperatura na styku prętów wynosi…
A. 60oC
B. 64 o C
C. 70 o C
D. 76 o C
E. 78 o C
Pembahasan
Wiadomo, że:
Przewodność cieplna pręta A = 3k
Przewodność cieplna pręta B = k
Długość pręta A = 2l
Długość pręta B = l
Temperatura krawędzi pręta A = 100 o C
Temperatura krawędzi pręta B = 40 o C
Pytanie: Temperatura na styku dwóch prętów
Jawab:
Wzór na szybkość przewodzenia ciepła:
Opis: Q/t = szybkość wymiany ciepła, k = przewodność cieplna, A = powierzchnia, T 1 -T 2 = zmiana temperatury, l = długość pręta
Oba pręty mają takie samo pole przekroju poprzecznego, więc A usuwamy z równania.
Prawidłowa odpowiedź to D.
3. 2014/2015 Pytanie nr 14 z egzaminu krajowego SMA/MA z fizyki
Zwróć uwagę na następujące stwierdzenie:
(1) przewodnictwo metalu
(2) różnica temperatur między końcami metalu
(3) długość metalu
(4) masa metalowa
Czynniki, które określają szybkość rozprzestrzeniania się ciepła w metalu to….
A. (1), (2) i (3)
B. (1) i (4)
C. (2) i (4)
D. (3) i (4)
E. (4) tylko
Pembahasan
Przenoszenie ciepła w metalu to przenoszenie ciepła przez przewodzenie. Wzór na szybkość przenoszenia ciepła przez przewodzenie jest następujący:
Opis: Q/t = szybkość wymiany ciepła, k = przewodność cieplna, A = powierzchnia, T 1 -T 2 = zmiana temperatury, l = długość pręta
Prawidłowa odpowiedź to A.
