Isı akısı - Heat flux

Isı akısı
	Isı akısı bir yüzey aracılığıyla.
Ortak semboller
SI birimi	W / m2
Diğer birimler	Btu / (h⋅ft2)
İçinde SI temel birimleri	kg⋅s−3
Boyut

Sıcaklık akı veya termal akıbazen şöyle de anılır ısı akısı yoğunluğu^[1], ısı akışı yoğunluğu veya ısı akış hızı yoğunluğu bir akışı enerji birim zaman başına alan birimi başına. İçinde Sİ birimleri watt başına metrekare (W / m²). Hem yönü hem de büyüklüğü vardır ve bu nedenle bir vektör miktar. Uzayda belirli bir noktadaki ısı akışını tanımlamak için, yüzey boyutunun sonsuz derecede küçük olduğu sınırlayıcı durumu ele alalım.

Isı akışı genellikle belirtilir ${displaystyle {overrightarrow {phi _ {ext {q}}}}}$ , q belirleyen alt simge sıcaklık akı, aksine kitle veya itme akı. Fourier yasası bu kavramların önemli bir uygulamasıdır.

Fourier yasası

Çoğu için katılar olağan koşullarda, ısı esas olarak iletim ve ısı akışı, Fourier yasası tarafından yeterince tanımlanmıştır.

Fourier yasası tek boyutta

{displaystyle phi _ {ext {q}} = - k {frac {dT (x)} {dx}}}

nerede ${displaystyle k}$ ... termal iletkenlik. Negatif işaret, ısı akışının daha yüksek sıcaklık bölgelerinden daha düşük sıcaklık bölgelerine hareket ettiğini gösterir.

Çok boyutlu uzatma

Isı iletkenliği, k ve kalınlık x ile bir ısı yalıtım malzemesi boyunca ısı akışını gösteren diyagram. Isı akışı, malzemenin k ve x'i de biliniyorsa, sıcaklık sensörleri kullanılarak malzemenin her iki tarafında iki yüzey sıcaklığı ölçümü kullanılarak belirlenebilir.

Isı iletkenliği, k ve kalınlık x ile bir ısı yalıtım malzemesi boyunca ısı akışını gösteren diyagram. Isı akışı, yüzeyde bulunan veya malzemenin içine yerleştirilmiş tek bir ısı akışı sensörü kullanılarak doğrudan ölçülebilir. Bu yöntemi kullanarak malzemenin k ve x değerlerini bilmek gerekli değildir.

Çok boyutlu durum benzerdir, ısı akışı "azalır" ve bu nedenle sıcaklık gradyanı negatif işaretine sahiptir:

{displaystyle {overrightarrow {phi _ {q}}} = - k {abla} T}

nerede ${displaystyle {abla}}$ ... gradyan operatörü.

Isı akısının ölçülmesi

Isı akışının ölçümü birkaç farklı şekilde gerçekleştirilebilir. Yaygın olarak bilinen, ancak çoğu zaman pratik olmayan bir yöntem, bir malzeme parçası üzerindeki sıcaklık farkının, bilinen yöntemlerle ölçülmesiyle gerçekleştirilir. termal iletkenlik. Bu yöntem, bir elektrik akımını ölçmenin standart bir yoluna benzer; Voltaj bilinen bir direnç. Genellikle bu yöntemin gerçekleştirilmesi zordur çünkü test edilen malzemenin ısıl direnci genellikle bilinmemektedir. Isıl direnci belirlemek için malzemenin kalınlığı ve ısıl iletkenliği için doğru değerler gerekli olacaktır. Malzemenin her iki tarafındaki sıcaklık ölçümleriyle birlikte termal direnç kullanılarak, ısı akışı dolaylı olarak hesaplanabilir.

Isı akısını ölçmenin ikinci bir yöntemi, bir ısı akısı sensörü veya ısı akısı sensörünün monte edildiği yüzeye / yüzeyden aktarılan ısı miktarını doğrudan ölçmek için ısı akısı dönüştürücü. En yaygın ısı akısı sensörü türü, diferansiyel sıcaklıktır termopil Isıl direncin / iletkenliğin bilinen bir parametre olması gerekmemesi avantajına sahip olması dışında, bahsedilen ilk ölçüm yöntemiyle esasen aynı prensipte çalışır. Isı akısı sensörü, mevcut ısı akısının yerinde ölçülmesini sağladığından, bu parametrelerin bilinmesine gerek yoktur. Seebeck etkisi. Ancak, diferansiyel termopil ısı akısı sensörlerinin çıkış sinyallerini [μV] ısı akısı değerleriyle [W / (m) ilişkilendirmek için kalibre edilmesi gerekir.²⋅K)]. Isı akısı sensörü kalibre edildikten sonra, nadiren bilinen termal direnç veya termal iletkenlik değeri gerektirmeden doğrudan ısı akısını ölçmek için kullanılabilir.

Bilim ve mühendislikle alaka düzeyi

Bir bilim adamının veya mühendisin alet çantasındaki araçlardan biri, enerji dengesi. Böyle bir denge, kimyasal reaktörlerden canlı organizmalara kadar herhangi bir fiziksel sistem için kurulabilir ve genellikle aşağıdaki biçimi alır

{displaystyle {ig.} {frac {kısmi E_ {matematik {in}}} {kısmi t}} - {frac {kısmi E_ {mathrm {out}}} {kısmi t}} - {frac {kısmi E_ {mathrm { birikmiş}}} {kısmi t}} = 0}

üç nerede ${displaystyle {ig.} {frac {kısmi E} {kısmi t}}}$ terimler sırasıyla gelen toplam enerji miktarının, giden toplam enerji miktarının ve biriken toplam enerji miktarının zaman değişim oranını ifade eder.

Şimdi, sistemin çevresi ile enerji alışverişi yapmasının tek yolu ısı transferiyse, ısı oranı enerji dengesini hesaplamak için kullanılabilir, çünkü

{displaystyle {ig.} {frac {kısmi E_ {matematik {in}}} {kısmi t}} - {frac {kısmi E_ {mathrm {out}}} {kısmi t}} = oint _ {S} {overrightarrow { phi _ {q}}} cdot, {overrightarrow {dS}}}

ısı akışını entegre ettiğimiz yer ${displaystyle {overrightarrow {phi _ {ext {q}}}}}$ yüzey üzerinde ${displaystyle S}$ sistemin.

Gerçek dünyadaki uygulamalarda, yüzeydeki her noktada tam ısı akısı bilinemez, ancak örneğin integrali hesaplamak için yaklaşıklık şemaları kullanılabilir. Monte Carlo entegrasyonu.

Ayrıca bakınız

Referanslar

^ "Akı" kelimesi, çoğu fiziksel disiplinde, bir miktarın (kütle, ısı, momentum, vb.) Birim alan başına birim zamanda bir yüzey boyunca akışına atıfta bulunmak için kullanılır, birincil istisna elektromanyetizmadır. bir yüzey boyunca bir vektör miktarının integraline. Makaleye bakın Akı daha fazla ayrıntı için.

[1] "Akı" kelimesi, çoğu fiziksel disiplinde, bir miktarın (kütle, ısı, momentum, vb.) Birim alan başına birim zamanda bir yüzey boyunca akışına atıfta bulunmak için kullanılır, birincil istisna elektromanyetizmadır. bir yüzey boyunca bir vektör miktarının integraline. Makaleye bakın Akı daha fazla ayrıntı için.

[1]

Isı akısı
Isı akısı ${displaystyle {overrightarrow {phi _ {ext {q}}}}}$ bir yüzey aracılığıyla.
Ortak semboller	${displaystyle {overrightarrow {phi _ {ext {q}}}}}$
SI birimi	W / m²
Diğer birimler	Btu / (h⋅ft²)
İçinde SI temel birimleri	kg⋅s⁻³
Boyut	${displaystyle {mathsf {M}} {mathsf {T}} ^ {- 3}}$