ตัวอย่างการถ่ายเทความร้อนโดยการนำความร้อน

8 ตัวอย่างของการถ่ายเทความร้อนโดยการนำความร้อน

1. อธิบายความหมายโดยยกตัวอย่างประกอบ การถ่ายเทความร้อนโดยการนำความร้อน ?
การอภิปราย
การถ่ายเทความร้อนโดยการนำความร้อน คือการถ่ายเทความร้อนที่เกิดขึ้นผ่านการชนกันระหว่างอะตอม/โมเลกุลที่ประกอบกันเป็นวัตถุ ตัวอย่างเช่น พิจารณาแท่งเหล็กที่ถูกทำให้ร้อน ปลายด้านหนึ่งของเหล็กถูกแตะกับเปลวไฟ และปลายอีกด้านหนึ่งถูกจับไว้ แม้ว่าปลายเหล็กที่ถูกจับจะไม่สัมผัสกับเปลวไฟ แต่เนื่องจากความร้อนถ่ายเทผ่านแท่งเหล็ก ปลายเหล็กที่ถูกจับจึงรู้สึกร้อน ความร้อนถ่ายเทจากปลายด้านหนึ่งของเหล็กไปยังอีกด้านหนึ่งได้อย่างไร?
ปลายเตารีดที่ร้อนจะได้รับความร้อนเพิ่มเติม คาลอร์ ความร้อนคือพลังงานที่เคลื่อนที่โดยธรรมชาติจากวัตถุที่มีอุณหภูมิสูงไปยังวัตถุที่มีอุณหภูมิต่ำ พลังงานที่เพิ่มเข้ามาทำให้อะตอม/โมเลกุลที่ประกอบขึ้นเป็นเหล็กสั่นสะเทือนมากขึ้นจากตำแหน่งสมดุล เมื่อพวกมันสั่นสะเทือนมากขึ้น อะตอม/โมเลกุลเหล่านั้นจะชนกับอะตอม/โมเลกุลข้างเคียง ทำให้อะตอม/โมเลกุลเหล่านั้นสั่นสะเทือนมากขึ้นและได้รับพลังงานมากขึ้น กระบวนการนี้ดำเนินต่อไปจนกว่าความร้อนจะไปถึงปลายเหล็กที่กำลังถืออยู่

2. เป็นไปได้หรือไม่ที่ความร้อนจะถ่ายเทโดยการนำความร้อนระหว่างอะตอม/โมเลกุลของของเหลว?
การอภิปราย
ลองพิจารณาตัวอย่างต่อไปนี้ เมื่อแท่งเหล็กถูกทำให้ร้อน ความร้อนจะเคลื่อนที่จากอะตอม/โมเลกุลของเหล็กหนึ่งไปยังอีกอะตอม/โมเลกุลหนึ่ง ดังนั้นจึงกล่าวได้ว่าการถ่ายเทความร้อนโดยการนำความร้อนเกิดขึ้นระหว่างอะตอม/โมเลกุลของของแข็ง การถ่ายเทความร้อนโดยการนำความร้อนจะไม่เกิดขึ้นระหว่างอะตอม/โมเลกุลของของเหลว เพราะการถ่ายเทความร้อนเกิดขึ้นระหว่างอะตอม/โมเลกุลของของเหลว และในทำนองเดียวกัน ระหว่างอะตอม/โมเลกุลของแก๊ส การถ่ายเทความร้อนจะเกิดขึ้นโดยการพาความร้อน

3. การนำความร้อน ค่าการนำความร้อนของอิฐคือ 0,84 J/ms°C และค่าการนำความร้อนของขนสัตว์คือ 0,040 J/ms°C^oอิฐหรือใยแก้ว อันไหนเป็นตัวนำความร้อนที่ดีกว่ากัน?
การอภิปราย
วัตถุที่มีค่าการนำความร้อนสูงจะเป็นตัวนำความร้อนที่ดี (ตัวนำความร้อนที่ดี) ในขณะที่วัตถุที่มีค่าการนำความร้อนต่ำจะเป็นตัวนำความร้อนที่ไม่ดี (ตัวนำความร้อนที่ไม่ดี)
จากคำถาม การนำความร้อนของอิฐสูงกว่าการนำความร้อนของขนสัตว์ ดังนั้นอิฐจึงเป็นตัวนำความร้อนที่ดีกว่าขนสัตว์

4. แท่งเหล็กทรงกระบอกตันมีความยาว 1 เมตร และมีพื้นที่หน้าตัด 0,2 ตารางเมตร ค่าการนำความร้อนของเหล็กเท่ากับ 40 J/ms°C^oถ้าความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างปลายทั้งสองของเหล็กคือ 10^oC. จงหาอัตราการถ่ายเทความร้อนโดยการนำความร้อนในแท่งเหล็ก!
การอภิปราย
เป็นที่ทราบกันว่า:
ความยาวของเหล็ก (ล) = 1 ม.
พื้นที่หน้าตัดของเหล็ก (A) = 0,2 ตร.ม.²
ค่าการนำความร้อนของเหล็ก (k) = 40 J/ms°C^o
ความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างปลายทั้งสองของเหล็ก (ΔT) = 10^oC
ถาม: อัตราการถ่ายเทความร้อนโดยการนำความร้อน (Q/t)
คำตอบ :
สูตรสำหรับอัตราการถ่ายเทความร้อนโดยการนำความร้อน:
Q/t = k A ΔT / l
Q/t = (40)(0,2)(10) / 1
Q/t = 80 / 1
Q/t = 80 จูล/วินาที

5. โลหะ A และโลหะ B มีความยาวและพื้นที่หน้าตัดเท่ากัน ค่าสัมประสิทธิ์การนำความร้อนของโลหะ A เป็น 1/6 เท่าของค่าสัมประสิทธิ์การนำความร้อนของโลหะ B โลหะทั้งสองถูกให้ความร้อนที่ปลายด้านหนึ่งและมีการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิเท่ากัน ดังนั้น อัตราส่วนของอัตราการถ่ายเทความร้อนของโลหะ A และโลหะ B คือ...
ก. 6 : 1
B. 1 : 6
C. 1 : 5
ง. 2 : 1
E. 4 : 1
การอภิปราย :

Dทราบ :
k_A = 1/6 k_B = 1/6
k_B = 6/6 = 1
ถาม :
เปรียบเทียบอัตราการถ่ายเทความร้อนผ่านโลหะ A และโลหะ B?
จาวาบ :
สูตรสำหรับอัตราการถ่ายเทความร้อนโดยการนำความร้อน :
คำอธิบาย: Q/t = อัตราการถ่ายเทความร้อน, k = ค่าการนำความร้อน, A = พื้นที่หน้าตัด, T₁ = อุณหภูมิสูง, T₂ = อุณหภูมิต่ำ, l = ความยาวของวัตถุ

ความยาวและพื้นที่หน้าตัดของโลหะทั้งสองเท่ากัน ดังนั้น l และ A จึงถูกตัดออกจากสมการ การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิของโลหะทั้งสองเท่ากัน ดังนั้น (T₁ - ท₂) ถูกตัดออกจากสมการ
k_A :k_B
1/6 : 6/6
1: 6
คำตอบที่ถูกต้องคือ B.

6. วัตถุแข็งสองชิ้น P และ Q ที่มีขนาดเท่ากันแต่ต่างชนิดกัน วางติดกันดังแสดงในรูปด้านล่าง ถ้าค่าสัมประสิทธิ์การนำความร้อนของ P เป็นสามเท่าของค่าสัมประสิทธิ์การนำความร้อนของ Q แล้ว อุณหภูมิที่รอยต่อระหว่าง P และ Q จะเป็น...
60 ^oC
50 B. ^oC
40 C. ^oC
D. 20 ^oC
จ. 10 ^oC

การอภิปราย :
เป็นที่รู้จัก :
T_P = 0 ^oC
T_Q = 80 ^oC
k_P = 3k_Q = 3
k_Q = 1
ถาม :
อุณหภูมิที่ระนาบขอบเขต P และ Q คือเท่าไร?
คำตอบ :

เนื่องจากขนาดของวัตถุทั้งสองเท่ากัน ดังนั้น A และ l จึงถูกตัดออกจากสมการ
คำตอบที่ถูกต้องคือ D.

7. ปริมาณความร้อนที่ไหลผ่านวัสดุโลหะต่อวินาที:

(1) แปรผกผันกับความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างปลายทั้งสองข้าง

(2) เป็นสัดส่วนผกผันกับพื้นที่หน้าตัดของวัตถุ

(3) ขึ้นอยู่กับประเภทของวัสดุโลหะ

(4) เป็นสัดส่วนผกผันกับความยาวของโลหะ

ข้อความที่ถูกต้องในการเพิ่มอัตราการถ่ายเทความร้อนโดยการนำความร้อนคือ…

การอภิปราย

สูตรสำหรับการถ่ายเทความร้อนโดยการนำความร้อน:

ปริมาณความร้อนที่ไหลต่อวินาที (Q/t)

แปรผันตรงกับความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างปลายทั้งสอง (T ₁ – T ₂ )

แปรผันตรงกับพื้นที่หน้าตัดของวัตถุ (A)

แปรผันตรงกับชนิดของวัสดุโลหะ (k = ค่าการนำความร้อน)

แปรผกผันกับความยาวของโลหะ (l)

ข้อความที่ถูกต้องคือข้อ 3 และ 4

8. โลหะ P, Q และ R มีขนาดเท่ากัน ค่าการนำไฟฟ้าของโลหะ P, Q และ R คือ 4k, 2k และ k ตามลำดับ โลหะทั้งสามเชื่อมต่อกันด้วยอุณหภูมิที่ปลายเปิด ดังแสดงในรูปต่อไปนี้

อุณหภูมิที่จุดเชื่อมต่อโลหะ P กับ Q (T _x ) คือ...

การอภิปราย

เป็นที่ทราบกันดีว่า:

ค่าการนำไฟฟ้าของโลหะ P = 4k

ค่าการนำไฟฟ้าของโลหะ Q = 2k

ค่าการนำไฟฟ้าของโลหะ R = k

อุณหภูมิต่ำที่ปลายโลหะ P (TP ₎ = 20 ^o C

อุณหภูมิสูงที่ปลายโลหะ R (T _R ) = 160 ^o C

ต้องการทราบ:อุณหภูมิที่จุดเชื่อมต่อโลหะ P กับ Q (T _x )

คำตอบ:

สูตรสำหรับการถ่ายเทความร้อนโดยการนำความร้อน:

ข้อสังเกต:

Q/t = อัตราการถ่ายเทความร้อน, k = ค่าการนำความร้อน, A = พื้นที่หน้าตัด, T ₁ = อุณหภูมิเริ่มต้น, T ₂ = อุณหภูมิสุดท้าย, l = ความยาวของแท่ง

เนื่องจากความยาว (l) และพื้นที่หน้าตัด (A) เท่ากัน จึงตัดออกจากสมการได้

ใช้สมการนี้ในการคำนวณอุณหภูมิ

พิจารณาแท่งโลหะ P และ Q

พิจารณาแท่งโลหะ Q และ R

เพื่อให้ได้ T _xให้กำจัด T _y ออกไป :