Varmetransport. Varmeledning

Transkript

1 Varmetransport Vi har sagt at varme er overføring av energi fra et legeme med høy temperatur til et annet legeme med lavere temperatur, men vi har ikke sagt noe om hvordan energien blir overført. I denne artikkelen skal vi behandle mekanismene for varmetransport. Varmetransport skjer på tre forskjellige måter: ) varmeledning ) konveksjon 3) stråling Når det går varme fra den varme kokeplaten til det kalde vannet i en kasserolle, blir varmen ledet gjennom kasserollebunnen. En kamin i kjellerstua kan varme opp første etasje i huset fordi varm luft strømmer opp fra kjelleren (konveksjon). Varme fra sola når oss gjennom vakuum ved stråling. Varme blir også transportert ved hjelp av fordamping. Vi har behandlet dette i grunnboka side 85. Varmeledning Hvis vi holder den ene enden av en metallstav inn i en flamme, blir den andre enden snart så varm at vi må slippe den. Hvis vi holder en fyrstikk som brenner, er det ikke noe problem å holde fyrstikken. Vi sier at metallstaven er en god varmeleder, mens tre er en dårlig varmeleder. Varmeledning er et atomært fenomen. Atomene i den varme enden av et legeme har i gjennomsnitt større kinetisk energi enn atomene i den kalde enden; de vibrerer voldsommere. Ved støt mellom naboatomer blir energi overført fra atomer med stor energi til atomer med mindre energi, slik at de begynner å vibrere mer Dermed blir energien transportert fra den varme til den kalde enden av legemet. Ved støtene gjør atomene arbeid på hverandre. Det er summen av slike mikroarbeid som blir kalt varme. I metallstaven er noen av elektronene «frie». Disse frie elektronene har også kinetisk energi. De har langt større gjennomsnittsfart enn atomene fordi de er så lette. De kan raskt overføre energi til atomer ganske langt unna fordi de kan bevege seg fort og langt mellom hver gang de kolliderer med et atom. Det er de frie elektronene som gjør at metaller er gode varmeledere. Elektriske isolatorer, som tre og glass, og væsker er dårlige varmeledere fordi de ikke inneholder frie elektroner. Luft og andre gasser er enda dårligere varmeledere. Det kommer av at avstanden mellom molekylene er mye større enn i væsker og faste stoffer, mens molekylfarten er mye mindre enn farten til ledningselektronene i metaller. Når vi vil isolere mot varmetap utnytter vi oftest de dårlige varmeledningsegenskapene til stillestående luft. Ullklær leder varme dårlig, vi sier at de isolerer godt. Det henger sammen med at ullfibrene er hule og dermed luftfylte. Dessuten er det mange små luftlommer innimellom ullfibrene. Vi isolerer vegger, golv og tak i husene våre med mineralull. Mineralulla har luftlommer mellom mineralfibrene. Vinduer med to glassplater med et luftlag imellom, dobbeltvinduer, reduserer varmetapet gjennom vinduene. Den aller dårligste «varmelederen» er vakuum. I termosflasker er det to lag med glass eller stål med tilnærmet vakuum mellom. / RSTnett

2 Varmestrøm og varmeledningsevne Hvis den ene enden av metallstaven holdes i en flamme og den andre i isvann, blir det en kontinuerlig strøm av varme i staven (se figur øverst på neste side). I forsøk kan vi måle varmestrømmen H, det vil si den varmen per tid Q/t som passerer et tverrsnitt av staven. En har funnet at varmestrømmen under stasjonære forhold er proporsjonal med tverrsnittet A og med temperaturforskjellen Δt = t t, mellom den varme og den kalde enden av staven. Dessuten er varmestrømmen omvendt proporsjonal med lengden l av staven. Varmeledningsevne for noen stoffer W/Km aluminium 0 rustfritt stål 7 kopper 380 kull (grafitt) 5 glass 0,80 vann 0,60 luft 0,05 betong tre (gram furu) 0, sponplate 0, mineralull 0,036-0,060 skumplast 0,036-0,60 Q t H A t l t Størrelsen blir kalt temperaturgradient. Proporsjonalitetsfaktoren λ l kalles varmeledningsevne eller termisk konduktivitet. Enheten for H er J/s = W, slik at SI-enheten for varmeledningsevne blir W/(Km). Tabellen til venstre viser varmeledningsevnen for noen stoffer. Som ventet har metaller høye verdier for λ, mens isolatorer som tre og glass har lave verdier. Luft og andre gasser er også dårlige varmeledere. Det kommer av at varmeledning i gasser som i elektriske isolatprer bare skjer ved støt direkte mellom atomer og molekyler. Da avstanden mellom molekylrene dessuten er stor, må varmeledningsevnen bli dårlig. Når det går varme gjennom en vegg som er satt sammen av to lag av ulike stoffer, blir det størst temperaturfall over den dårligste varmelederen. Temperaturen kan variere omtrent slik grafen i margen antyder. Temperaturforskjellen over stålveggen er altså mye mindre enn 60 K, og varmestrømmen er tilsvarende mye mindre enn det vi fant i eksemplet. Et tynt luftlag på utsiden av veggen kan fungere som isolasjon. Dette forutsetter at lufta er i ro. Hvis det er en luftstrøm i rommet, vil det isolerende luftlaget bli ført bort, og temperaturen på utsiden av beholderveggen blir da lavere. Resultatet er en større varmestrøm fra vannet til omgivelsene. Denne effekten kjenner vi alle godt til: En lufttemperatur på for eksempel 5 C føles mye kaldere når det blåser enn når det er stille vær! Varmegjennomgangstall. U-verdi I forbindelse med isolasjonsmaterialer blir ofte varmegjennomgangstallet eller U-verdien oppgitt. Med dette menes varmeledningsevne dividert med tykkelsen av materialet. U l / RSTnett

3 I tabeller kan vi finne U-verdien for forskjellige tykkelser av et isolasjonsmateriale. U-verdien forteller hvor mye varme som blir transportert per sekund gjennom m av materialet når temperaturfallet er K. Vi kan nå skrive likningen øverst på forrige side slik: t H A A t l l H U A t SI-enheten for U-verdi er W/m K. Vi tar et eksempel: I en stue har ytterveggene arealet 0 m og U-verdien 0,60 W/m K. Vinduene (isolerglass) har arealet 6,0 m og U-verdien 3,0 W/m K. Vi skal finne hvor stor effekt varmeovnen i stua må yte for å holde en konstant innetemperatur på C en dag når utetemperaturen er 8,0 C. Varmestrømmen gjennom veggene er: H U A ( t 0,060 W/m K 6,0 m Varmestrømmen gjennom vinduene er: H U A ( t t 3,0 W/m K 6,0 m t ) ) ( ( ( 8,0)) K 360 W ( 8,0)) K 540 W Svar: I alt er varmestrømmen gjennom yttervegger og vinduer 900 W. Hvis vi ser bort fra varmestrømmen gjennom innvendige vegger, golv og tak, må varmeovnen yte en effekt på 0,90 kw. Konveksjon Væsker og gasser er dårlige varmeledere, og ledning spiller en liten rolle for varmetransport i væsker og gasser. I slike stoffer er konveksjon viktigere. Konveksjon vil si at varm væske eller gass flytter seg eller strømmer. På figur a øverst på neste side har vi illustrert fenomenet. Når vi varmer opp begeret, utvider vannet ved bunnen seg. Dermed avtar tettheten. Da tettheten til varmt vann altså er mindre enn tettheten til kaldt vann, sørger oppdrift for at det varme vannet stiger opp. Kaldt vann ovenfra synker ned og tar den ledige plassen. Dette vannet blir så varmet opp, osv. Slik oppstår det et strømningsmønster i vannet som sørger for at varmen brer seg. Her går det ikke varme fra ett legeme til et annet. Det er det varme «legemet» som flytter seg. Strengt tatt er det altså ikke varme her, men det er likevel blitt vanlig å oppfatte konveksjon som en form for varmetransport. Nettovirkningen er at varme går fra ett sted til et annet sted med lavere temperatur. Figur b nedenfor viser konveksjon i en stue som blir varmet opp av en radiator. / RSTnett 3

4 De tilfellene vi har sett på, er eksempler på naturlig konveksjon. Hvis vi bruker en pumpe (eller en vifte) til å flytte varmt vann (eller varm luft), kaller vi det for tvungen konveksjon. Stråling Vi kjenner tydelig strålingen fra en varmeovn i huden vår. Holder vi hånden nær en vanlig lyspære, kjenner vi samme stags stråling, varmestråling, når lampa lyser. Noe av strålingen er synlig lys, men mesteparten er varmestråling. Varmestrålingen skriver seg fra de termiske bevegelsene av atomene og molekylene i stoffet, og derfor blir den også kalt temperaturstråling. Det er elektromagnetiske bølger som transporterer energien ut av stoffet. Alle legemer, varme og kalde, sender ut energi som stråling. Kroppen vår sender også ut stråling. Huden har en temperatur på omkring 37 C, og når en gjenstand har høyere temperatur, kjenner vi strålingen fra omgivelsene. Da absorberer huden mer energi enn den sender ut. Den totale utstrålte effekten øker sterkt med temperaturen. Med økende temperaturer endrer strålingen også karakter. Når vi varmer opp jern til vel 500 C, blir det rødglødende. Ved 000 C lyser jernet gult og ved 500 C mest hvitt. Ved høye temperaturer blir altså noe av varmestrålingen synlig lys. Når varmestråling treffer en husvegg, huden vår eller en annen flate, blir noe av energien i strålingen absorbert. Alle flater absorberer ikke like godt. Svarte flater absorberer mye, mens lyse og blanke flater reflekterer det meste av energien. Det viser seg at legemer som absorberer godt, også stråler ut mye energi. Hvis vi sammenlikner den utstrålte effekten fra to like store flater som har samme temperatur, en lys og en svartmalt flate, finner vi at den svartmalte flaten sender ut mer energi enn den lyse flaten. Et hvitmalt hus vil altså absorbere mindre av solstrålingen en varm sommerdag enn et svartmalt hus. Det hvite huset mister også mindre energi ved stråling enn det svartmalte huset en kald vinternatt. Termografi Også vår egen kropp sender ut temperaturstråling. Denne strålingen er litt forskjellig for armer, bein og bryst, og også litt forskjellig for syke og friske kroppsdeler, fordi disse har litt forskjellig temperatur. Dette nyttes i medisinsk diagnose. Ved hjelp av kameraer for infrarød stråling kan en ta temperaturbilder av kroppen. En kreftsvulst har for eksempel en litt høyere temperatur enn vevet omkring. / RSTnett 4

5 En fordel med temperaturbilder i denne sammenhengen er at forandringer i temperaturen ofte er et av de tidligste tegnene på kreftutvikling. Temperaturbilder kan derfor avsløre sykdommen før det er mulig å oppdage noe på røntgenbilder. Temperaturbilder blir også brukt i meteorologi og i industri og forskning. Temperaturbilder brukes over et bredt område, for eksempel ved varmelekkasje fra bygninger, kvalitetskontroll av elektronikkomponenter, kontroll av det elektriske anlegget på en borerigg eller undersøkelse av en høyspentledning. Ved hjelp av et helikopter og et kamera som er følsomt for infrarød stråling, kan en i løpet av noen timer kontrollere lange stykker av slike høyspentledninger. I alle disse tilfellene kan steder med for høy temperatur vise hvor det fins feil. Termografilenker: Lenke om varmetransport: / RSTnett 5