Varmetransport (Y&F , L&H&L ) 2. hovedsetning: Varme fra varmt til kaldt legeme (og fra varm til kald del av et legeme)

Transkript

1 Varmetransport (Y&F , L&H&L ) 2. hovedsetning: Varme fra varmt til kaldt legeme (og fra varm til kald del av et legeme) Ulike typer transport: Innen et legeme: 1. Varmeledning, Fouriers lov 2. Konveksjon (strømning) Mellom legemer: 3. Varmeovergang (mellom ulike legemer) 4. Varmestråling, Stefan-Boltzmanns lov.

2 Strøm i serie Elektrisk strøm R 1 = 1 Ω I 1 I R 2 = 1000 Ω I 2 I = I 1 = I 2! Potensialfall ΔV i = R i I ulik Q Q=Q j =Q s! Varmestrøm Fe Q j Q s Temperaturfall ΔT = R i Q ulik

3 j s Q Varmeledning, Eks. 1 stort reservoar stort reservoar T H = T 0 T L = A Q Q ( T T ) j j H 0 l j A Q Q ( T T ) gir s s 0 L ls TH T 100 K Q L R 1,07 K/W tot 94 W A = 6,0 cm 2 = 6, m 2 l j = 4,0 cm l s = 6,0 cm κ j = 80 W/(Km) κ s = 429 W/(Km) der varmeresistans = R R R j s tot j s A j A s l l 1,07 K/W Eksempel utregning: R l 0,04m 0,833 K/W 6, 0 (10 m) 80W/mK j j 2 2 A j

4 Eks. 1: Temperaturforløp 100 o C jern sølv 0 o C T/ o C 100 o C 21,9 o C 0 o C 100 Størst temperaturfall ΔT i materiale med størst R (best isolasjon) Q j Q Q R Tj T s s j Rs 21,9 Stor R, stor ΔT Mindre R, mindre ΔT l 4 cm 10 cm

5 Fouriers varmeledningslov, ulike former T 1 Q A T x R Q dt j A dx j T Strømtetthetsvektor: Ohms lov, ulike former V 1 I A V x R I dv j A dx j V E Konduktivitet: og Gradient(drivkraft): T og V E j

6 Varmeresistans i Young & Freedman: Y&F bruker resistans: l RYF RA R = «thermal resistance» R YF = «thermal insulance» Vi (og vanlig i fysikk): Y & F (og i byggebransjen): 1 Q 1 Q T j T R A AR A Q 1 Q T j T R A R YF YF Dessuten bruker Y & F: H Q

7 Varmeledningsevne, (k = ) κ Beste leder For ulike materialer ved romtemp Tabell Wikipedia Beste isolator Tipler & Mosca Tab Y&F Tab 17.5

8 Konveksjon Vertikalt skille T H T L Q konv Q konv øker med l, mens Q ledn avtar med l. l

9 Konveksjon Horisontalt skille Q konv stor T L T H Q konv 0 T H Varmt nede T L Varmt oppe: lite strømning

10 Konveksjon i vann 4 o C til 30 o C Innsjø en varm sommerdag: Innsjø en kald sommerdag: T H +30 o C luft +20 o C lettest vann T L o C luft +20 o C T L +16 o C +12 o C +8 o C T H +16 o C +12 o C +8 o C +4 o C tyngst vann +4 o C Liten konveksjon, langsom oppvarming (bare øverste lag varmes opp) Mye konveksjon, effektiv avkjøling. I tillegg bidrar også vind sterkt til strømning i vann 4 o C vann ligger alltid i bunnen. Vann har størst tetthet ved + 4 o C.

11 Konveksjon i vann 0 til 4 o C Innsjø om vinteren: -10 o C luft 0 o C lettest vann is +1 o C +2 o C +3 o C +4 o C tyngst vann Ingen sirkulasjon når < 4 o C => minimal konveksjon, kun varmeledning Vann har størst tetthet ved + 4 o C

12 Varmetransport 1. Varmeledning, Fouriers lov ΔT j T 1 Q A T x R Q dt j A dx j T Δx 2. Konveksjon (strømning). j=? 3. Varmeovergang (vegg/luft) 4. Varmestråling, Stefan-Boltzmanns lov.

13 Varmeledningsevne, (k = ) κ i j = κ ΔT/Δx for ulike materialer ved romtemp Varmeovergangstall: α ute = 25 Wm -2 K -1 α inne = 7,5 Wm -2 K -1 i j = α ΔT med Q j A Beste isolator Tipler & Mosca Tab Y&F Tab 17.5

14 Eks. 2: Temperaturforløp dob.glassvindu 25,0 T H = T/oC 20,0 15,0 10,0 T 1 T 2 T 3 Varmeovergang T L = 5,0 0,0 Varmeledning T 4 T x/mm T 6 Hva hvis konveksjon mellom rutene gjør seg gjeldende? l l /κ l R konv A, mye mindre enn 0,385 => j større => T 3 -T 4 mindre

15 Varmetransport 1. Varmeledning, Fouriers lov 2. Konveksjon (strømning) 3. Varmeovergang (vegg/luft) 4. Varmestråling, Stefan-Boltzmanns lov (Y&F , L&H&L 18.4) Alle legemer sender ut ems (elektromagnetisk stråling): Infrarødt ved romtemp, rødt hvitt ved høyere temperaturer. Årsak: termiske vibrasjoner i molekyler = akselererende elektroner.

16 Figure Atomer vibrerer, kraftigere jo høyere temperatur Vibrasjon = akselerasjon Akselererende elektroner sender ut ems Alle legemer sender ut ems (elektromagnetisk stråling): Infrarødt ved romtemp, rødt hvitt ved høyere temperaturer. Årsak: termiske vibrasjoner i molekyler = akselererende elektroner.

17 Ikke-synlig varmestråling kan detekteres av IR-kamera o F o C Fra:

18 Varmetransport 1. Varmeledning, Fouriers lov 2. Konveksjon (strømning) 3. Varmeovergang (vegg/luft) 4. Varmestråling, Stefan-Boltzmanns lov Josef Stefan, eksperimenter 1879 Ludvig Boltzmann, teori 1884 Alle legemer sender ut e.m.stråling: Infrarødt ved romtemp, rødt hvitt ved høyere temperaturer j = e σ T 4

19 Emissivitet e for ulike materialer Materiale e Omhyggelig polert gull 0,02 0,03 Omhyggelig polert sølv 0,02 0,03 Omhyggelig polert messing 0,03 Oksydert messing 0,6 Polert aluminium og folie 0,04 0,06 Upolert aluminium 0,06 0,07 Sterkt oksydert aluminium 0,2 0,3 Karbon: grafitt 0,7 0,8 Karbon: sot på overflate 0,96 Glasert porselen 0,92 Gummi 0,85 0,95 Gips 0,93 Vann 0,95 0,96 Betong 0,85 Wolfram (glødetråd) 0,4 0,5 Liten Stor j = e σ T 4 Emissivitet e = absorpsjonsevne a Mer seinere! Fra Handbook og Physics & Chemistry: og emissivity-coefficients-d_447.html

20 Eks. 3 Termisk stråling fra sola j sol = eσt sol 4 = 1 5, (5778) 4 W/m 2 = 63,2 MW/m 2 j sol i alle retninger => total effekt: P sol = j sol 4π R sol2 = 3, W R sol = m j sol j inn,jord = P sol / 4πR sj2 = 1,37 kw/m 2 Andel r = 0,306 reflekteres i atm.: j jordoverflate = (1-r) 1,37 kw/m 2 = 0,95 kw/m 2 P inn = j jordoverflate πr j2 = W Energibalanse gir jordas «svartstrålingstemperatur» T j = -18,8 o C j sol j sol Soloverflata: T sol = 5778 K ( K) j sol R sj =1, m Jorda R j =6371 km Avvik til jordas snittemp. +14 o C skyldes drivhuseffekten.

21 CO 2 i atmosfæren og jordas temperatur (drivhuseffekten) Y&F Figure 17.30

22 Varmestråling: Alle legemer/overflater stråler ut el.magn.stråling: Stefan-Boltzmanns lov: j = e σ T 4 (W/m 2 ) Eks. 4: Menneskekroppen: T = 32 O C = 305 K, e = 0,8 A = 1,8 m 2 P ut = e σ (305 K) 4 1,8 m 2 = 707 W (naken kropp) 20 O C omgivelser: P inn = e σ (293 K) 4 = 602 W P netto = 105 W (ut) 0 O C omgivelser: P inn = e σ (273 K) 4 = 454 W P netto = 253 W (ut) Steikende sol 1,0 kw/m 2 : P inn = e 1,0 kw/m 2 0,5 m 2 + e σ (293 K) 4 1,8 m 2 = 1002 W P netto = 295 W (inn)

23 Bølgelengdefordelingen i varmestråling: Plancks lov f λ Varmestråling K

24 Plancks strålingslov dj/dλ = dj g( ) 2 hc d 2 hc exp 1 k T B 5 Young & Freedman bruker: I ( ) 2 hc 2 hc exp 1 k T B 5 (litt uheldig da I ofte er intensitet) Y&F Figure λ max øker når T avtar λ max = 2898 μm K / T Wiens forskyvningslov (Wilhelm Wien 1893, fra termodyn.)

25 Max Planck ( ) Grunnlegger kvantemekanikk: 1900: Strålingens bølgelengdefordeling 1918: Nobelpris fysikk Kvantemekanikkens gjennombrudd rundt 1925: Werner Heissenberg ( ) Albert Einstein ( ) Erwin Schrödinger ( ) Plancks strålingslov dj g( ) 2 hc d 2 hc exp 1 k T B 5 Interaktiv graf: phet.colorado.edu/en/simulation/blackbody-spectrum

26 Finne λ max i g(λ). Grafisk finne løsning av 5e -x = 5-x : 5 5-x 5e -x = 5-x ved x = 4,965 5e -x 5 x

27 Rottmann => π 4 /15 n = 2 α = 1 Bernoullitall B 4 = 1/30

28 Plancks strålingslov dj g(λ) / W/m 3 g( ) 2 hc d 2 hc exp 1 k T B 5 Intensitetsspekter gitt med frekvensen er en annen funksjon: h( f ) 3 dj 2 h f 2 df c hf exp 1 k T B f λ = c = lysfart F Figure 39.32

29 Eks 5: Temperaturforløp dob.glassvindu T H 25,0 T L ledning: 20,0 j l stråling: T/oC 15,0 10,0 j ut = fσt H 4 j inn = fσt L 4 5,0 0, x/mm f 0,7 for tolagsglass varmeledning: j l = (T H -T L ) / AΣR i, AΣR i = A(R overgang + R glass + R luft ) = 0,83 m 2 K/W varmestråling: j s = j ut j inn = fσt H 4 - fσt L4 fσ 4T m 3 (T H -T L ) = 3,60 W/m 2 K (T H -T L ) f 0,7 inkluderer, transmisjon, refleksjon, absorpsjon og emisjon Totalt: j = (1,2 + 3,6) W/m 2 K (T H -T L ) Stråling vesentlig bidrag!

30 Linearisering av T 4 y = T 4 => dy/dt = 4 T 3 dvs. Δy 4 T 3 ΔT y(t H ) - y(t L ) 4 T m 3 (T H -T L ) Grafisk: med T H < T m <T L y =T 4 T H 4 T L 4 ΔT Δy (stgn.tall) ΔT = dy/dt ΔT 4 T m 3 ΔT T T L T m T H

31 Vinduer og vegger: U-verdi (tidligere k-verdi) Def: j = U ΔT Enhet: W/m 2 K Q T 1 1/ R j U T U A R A A der R = varmeresistansen (K/W) Enkelt glass i ramme 5,0 To glass i koblet vindu 2,4 Tolags isolerrute 2,4 Tolags isolerrute med ett belagt glass og luft 1,6 Tolags isolerrute med ett belagt glass og argongass 1,4 U-verdi Tolags isolerrute med belagt glass, argongass, varmkant, ny ramme og karm 1,2-1,1 Trelags isolerrute med to belagte glass, argongass, varmkant, ny ramme og karm 1,1-0,9 Trelags isolerrute med to belagte glass, argongass, varmkant, isolert ramme og karm 0,9-0,7 Minstekrav ny bolig: vinduer: 1,2; vegger: 0,18 Vårt vindu i Eks. 5 med varmeledning+stråling: U = (1,2+3,6) W/m 2 K = 4,8 W/m 2 K (svært dårlig) OBS: Y&F s resistans: R YF = R A => U = 1/R YF

32 Varmetransport Varmeledning (Fouriers lov) Varmestrøm (W): dq/dt = κ A ΔT/Δl = ΔT/R er lik for alle lag gjennom f.eks. vindu. Varmestrømtetthet (W/m 2 ): j = dq/dt /A = - κ dt/dx Konveksjon (materietransport) i gasser og væsker Varmeovergang mellom to materialer j = - α ΔT Varmestråling Alle legemer/overflater stråler ut el.magn.stråling, som øker sterkt med temperaturen T : Stefan-Boltzmanns lov: j = e σ T 4 e = a e = 1 helt sorte overflater; e = 0 helt blanke overflater Linearisering: j = σ (T H4 -T L4 ) σ 4T m3 (T H - T L ), T m mellom T H og T L Plancks strålingslov: Bølgelengdefordelingen for strålingsintensiteten: dj/dλ (λ,t). Wiens forskyvningslov: λ max T = 2898 μm K

33 Eksamen des Statistikk (prosent riktig). 1. Flervalgs. Mekanikk: Termisk: Mekanikk: 2a 2b 2c a 3b 3c 3d Termisk: 4a 4b 4c 4d Gjennomgå oppgaver markert rødt (dårligst besvarte) Karakterskala: F E D C B A

34 Eksamen TFY4115 des 2016, opg. 1 Flervalgs - de dårligst besvarte: Avgitte svar: Rett svar Oppgave % % % % % % % % % % % Snittresultat Opg: A B C D E blank Sum Snittres. %

35 Eksamen des Statistikk (prosent riktig). 1. Flervalgs. Mekanikk: Termisk: Mekanikk: 2a 2b 2c a 3b 3c 3d Termisk: 4a 4b 4c 4d 4e Gjennomgå oppgaver markert rødt (dårligst besvarte) Karakterskala: F E D C B A

36 Eksamen TFY4115 des 2015, opg. 1 Flervalgs - de dårligst besvarte: Avgitte svar: Rett svar Oppgave % % % % % % % % % Snittresultat Opg: A B C D E blank Sum Snittres. %