Tärkein ero - konvektio vs. säteily

Kiertoilma ja säteilyä ovat molemmat lämmönsiirtomekanismeja. Ne mahdollistavat lämpöenergian siirtämisen paikasta toiseen. The tärkein ero konvektion ja säteilyn välillä konvektio on lämmönsiirtomekanismi, johon liittyy materiaalin massavirta. Säteily on toisaalta lämmön siirtoa sähkömagneettisella energialla. Näin ollen säteily voi siirtää lämpöä tyhjiön kautta.

Mikä on konvektio

Konvektio on materiaalin lämmönsiirtomekanismi materiaalin massavirran kautta. Lämmön johtamiseksi itse materiaalin osat liikkuvat - eli massan siirto tapahtuu materiaalin sisällä. Tyypillisesti konvektio tapahtuu nesteissä. Kuitenkin konvektion vaikutukset voidaan nähdä joskus kiintoaineissa, kuten levytektoniikan tapauksessa. Konvektiota on kahta päätyyppiä: luonnollinen ja pakko.

Kiertoilma on monimutkainen prosessi, eikä ole olemassa yhtä yksinkertaista yhtälöä, joka kuvaa sitä täysin. Voimme kuitenkin käyttää likimääräistä tapauksia, joissa nestettä kuumennetaan kiinteällä pinnalla. Näissä tapauksissa lämmönsiirtonopeus

antaa,

missä

on pinta -ala, jonka läpi lämpö siirtyy,

on kiinteän aineen lämpötila,

on ilman lämpötila.

tunnetaan konvektiivisena lämmönsiirtokerroimena. Tämä kerroin riippuu useista ominaisuuksista, mukaan lukien nesteen tiheys, viskositeetti ja virtausnopeus.

Luonnollinen kiertoilma

Sisään luonnollinen konvektio, materiaalien virtaus johtuu tiheyseroista. Ajatellaanpa esimerkiksi vedenkeitintä, joka on lämmitetty liesillä. Kun vesi lämpenee vedenkeittimen pohjassa, se laajenee. Tämä tarkoittaa, että vesimolekyylit on nyt sijoitettu kauemmas toisistaan, mikä aiheuttaa veden tiheyden alhaalla. Nyt vedenkeitin pohjan vesi on vähemmän tiheää verrattuna vedenkeittimen yläosaan. Tiheyseron vuoksi alhaalta lämmin vesi nousee ylös, kun taas kylmempi vesi ylhäältä vajoaa pohjaan. Prosessi toistetaan, kunnes ylä- ja alalämpö ovat molemmat samassa lämpötilassa.

Nouseva kuuma neste ei voi nousta samaa linjaa pitkin, johon kylmä neste uppoaa. Siksi nesteen on liikuttava vaakatasossa ennen nousua/uppoamista seuraavaa sykliä varten. Tämä määrittää konvektiokennot nesteeseen, kuten alla olevassa kaaviossa on esitetty.

Konvektiokennot

Luonnollinen konvektio on vastuussa ilmavirroista ja se on myös yksi tärkeimmistä valtameren virtauksiin liittyvistä tekijöistä.

Konvektio on myös tärkeä tekijä levyteknologiassa. Maapallon vaipan sisäosat ovat kuumempia kuin ulompi osa, ja tämä aiheuttaa vaippaan konvektiokennojen asentamisen. Vaippa on kiinteä ja materiaalin liike vaipan sisällä on melko hidasta, noin 20 mm vuodessa.

Konvektio maapallon vaipassa

Pakotettu kiertoilma

Pakotettu konvektio tapahtuu, kun materiaalin liikettä liikutetaan ulkoisella mekanismilla, kuten tuulettimella tai pumpulla. Tuuletinlämmittimet ovat hyvä esimerkki pakotetusta kiertoilmasta. Ihmiskehossa sydän toimii myös pumpuna, joka vastaa lämmön pakotetusta konvektiosta kehon ympärille.

Mikä on säteily

Säteily kuvaa lämmönsiirtoa sähkömagneettisen säteilyn kautta. Kineettisen energian ansiosta esineitä muodostavat molekyylit ovat aina liikkeessä. Tämä saa aikaan näiden molekyylien varausten liikkumisen, mikä johtaa sähkömagneettisten aaltojen syntymiseen.

Nopeus, jolla esine lähettää lämpöä säteilyn kautta, annetaan Stefan-Boltzmannin laki:

missä

on kohteen pinta -ala ja

on sen absoluuttinen lämpötila.

on Stefan-Boltzmannin vakio,

.

Määrä

kutsutaan emissiivisyys. Se ottaa arvon välillä 0 ja 1.

on korkeampi tummemmille kohteille, joiden pinnat ovat tummemmat ja jotka lähettävät ja absorboivat säteilyä hyvin. Kiiltävät pinnat absorboivat ja emittoivat paljon vähemmän säteilyä ja niiden emissiot ovat lähempänä 0. Ihanteellisen pinnan, joka on sekä täydellinen absorboija että säteilyn lähettäjä, emissiivisyys on 1 ja sitä kutsutaan musta runko.

Koska esine säteilee ympäristöön, se myös absorboi ympäristön säteilyä. Jos ympäristön lämpötila on

, nettonopeus, jolla keho säteilee lämpöä, on annettu

Jos

kehosta ympäristöön tulee nettosäteilyä.

Kohteet säteilevät tiettyjä aallonpituuksia enemmän kuin toiset. Tyypillisesti mitä kuumempi runko, sitä pienempi aallonpituus säteilee eniten. Esimerkiksi kuumempien tähtien värin pitäisi olla sinisempi (pienempi aallonpituus) verrattuna kylmempiin, punaisempiin (suurempi aallonpituus). Ihanteellinen musta runko absoluuttisessa lämpötilassa

, Wienin laki antaa aallonpituuden

joka päästää eniten:

Huoneen lämpötilassa kappaleiden säteilyn ensisijainen aallonpituus on infrapuna-alueella. Alla oleva kaavio esittää tietyn aallonpituuden energiatiheyden, jonka musta kappale säteilee useissa eri lämpötiloissa.

Säteily - Wienin laki

Termogrammit käyttävät kehon lähettämää lämpösäteilyä sairauksien seulontaan, ja infrapunakameroita käytetään "näkemään" pimeässä. Kaukana olevien tähtien säteilyä käytetään myös maan ja tähtien välisen etäisyyden mittaamiseen.

Ero konvektion ja säteilyn välillä-Energiatehokkaan talon termogrammi etualalla, säteilee paljon vähemmän lämpöenergiaa kuin perinteinen talo, joka säteilee paljon enemmän energiaa (tausta)

Mitä eroa on konvektiolla ja säteilyllä?

Alkuperä

Kiertoilma tapahtuu aineen lämpölaajenemisen seurauksena.

Säteily on seurausta materiaalien varausten liikkeestä molekyylien kineettisen energian vuoksi.

Mekanismi

Kiertoilma sisältää materiaalin, tyypillisesti nesteen, massansiirron.

Säteily sisältää sähkömagneettisen aallon. Aine itsessään ei liiku.

Keskikokoinen

Kiertoilma vaatii väliaineen.

Säteily ei vaadi väliainetta ja voi siirtää lämpöä tyhjiön läpi.

Lämpötilan riippuvuus

Kiertoilma tuloksena on lämmön virtausnopeus, joka on suunnilleen suoraan verrannollinen lämpötilaeroon.

Säteily tuloksena on lämmön virtausnopeus, joka riippuu kohteen ja ympäristön neljännen lämpötehon välisestä erosta.

Viitteet

Liu et ai., (2007). Pienimittainen konvektio ylemmässä vaipassa Kiinan Tian Shan -vuorten alla. Maan fysiikka ja planeettojen sisätilat (163), 179-190

Kuva kohteliaasti

"Keskellä: konvektiokennot astiassa, ylhäällä: lämmöntuotto, alhaalla: lämmöntuotto", Eyrian (oma työ) [CC BY-SA 3.0], Wikimedia Commonsin kautta

”Osoittaa, kuinka valtameren harjanteet muodostuvat, litosfääri alistettu kaivantoihin; hyvä ymmärtämään levyteknologiaa. ” kirjoittanut Surachit (oma työ) [CC BY-SA 3.0], Wikimedia Commonsin kautta

"Wienin säteilylaki / Prawo Wiena", 4C (Oma teos, perustuu JPG-versioon) [CC BY-SA 3.0], Wikimedia Commonsin kautta

"Passivhaus -rakennuksen lämpötutkimus, taustalla perinteinen rakennus." Passivhaus Institut (Kopioitu Commonsiin osoitteesta http://fi.wikipedia.org. Alkuperäinen lähde Passivhaus Institut, Saksa-http://www.passiv.de) [CC BY-SA 3.0], Wikimedia Commonsin kautta