Flusso di calore
Il flusso di calore - o flusso di calore - è la potenza che attraversa una superficie in un trasferimento di calore , vale a dire l' energia termica trasferita - o quantità di calore - per unità di tempo. È espresso in watt (W).Φ{\ displaystyle \ Phi}Q{\ stile di visualizzazione Q}
Φ=QΔt{\ displaystyle \ Phi = {\ frac {Q} {\ Delta t}}}
In un punto su questa superficie, la densità del flusso di calore è il flusso di calore per unità di superficie . È espresso in watt per metro quadrato ( W / m 2 o W m -2 ).φ{\ displaystyle \ varphi}
φ=ΦS{\ displaystyle \ varphi = {\ frac {\ Phi} {S}}}
Il trasferimento di calore può avvenire per conduzione , convezione e irraggiamento . Queste modalità di scambio molto spesso coesistono. L'utilizzo di materiali rispettivamente isolanti o conduttivi consente di ridurre o aumentare il flusso di calore.
Definizioni
Il flusso di calore (espresso in watt ), detto anche "flusso di calore", è il rapporto tra l' energia termica trasferita (in joule ), comunemente indicata come quantità di calore , attraverso una superficie nel tempo infinitesimale del trasferimento ( in secondi). ):
Φ{\ displaystyle \ Phi}δQ{\ displaystyle \ delta Q}δt{\ displaystyle \ delta t}
Φ=δQδt=Q˙{\ displaystyle \ Phi = {\ frac {\ delta Q} {\ delta t}} = {\ punto {Q}}}.
Il flusso di calore attraverso una superficie è espresso come il flusso del campo vettoriale , chiamato vettore di densità del flusso di calore , attraverso questa superficie.
S{\ stile di visualizzazione S}φ→{\ displaystyle {\ overrightarrow {\ varphi}}}
Φ=∬SdΦ=∬Sφ→⋅dS→=∬Sφ dS{\ displaystyle \ Phi = \ iint _ {S} \ mathrm {d} \ Phi = \ iint _ {S} {\ overrightarrow {\ varphi}} \ cdot {\ overrightarrow {\ mathrm {d} S}} = \ iint _ {S} \ varphi \ \ mathrm {d} S}dΦ{\ displaystyle \ mathrm {d} \ Phi}è il flusso elementare attraverso un elemento di superficie , dove è il vettore unitario normale all'elemento di superficie .
dS→=non→ dS{\ displaystyle {\ overrightarrow {\ mathrm {d} S}} = {\ overrightarrow {n}} \ \ mathrm {d} S}non→{\ displaystyle {\ overrightarrow {n}}}dS{\ displaystyle \ mathrm {d} S}
A un dato punto della superficie, la densità di flusso termico , detto anche flusso termico superficiale , superficie flusso termico densità , calore densità , termicamente flusso densità o densità di corrente termica .
φ{\ displaystyle \ varphi} φ{\ displaystyle \ varphi}
φ=φ→⋅non→{\ displaystyle \ varphi = {\ overrightarrow {\ varphi}} \ cdot {\ overrightarrow {n}}}Tre modalità di trasferimento termico
Conduzione termica
Il trasferimento di calore per conduzione è descritto dalla legge di Fourier dalla conduttività termica :
λ{\ displaystyle {\ lambda}}
φ→vsonond=-λ⋅grad→ T{\ displaystyle {\ overrightarrow {\ varphi}} _ {\! \! \ mathrm {cond}} = - \ lambda \ cdot {\ overrightarrow {\ mathrm {grad}}} \ T}.
In regime stazionario e nel caso del flusso di calore superficiale passante attraverso una superficie isotermica di una parete piana di spessore soggetta ad una differenza di temperatura :
e{\ stile di visualizzazione e}ΔT{\ displaystyle {\ Delta T}}
φvsonond=λe⋅ΔT=ΔTrthvsonond{\ displaystyle \ varphi _ {\ mathrm {cond}} = {\ frac {\ lambda} {e}} \ cdot {\ Delta T} = {\ frac {\ Delta T} {r _ {\ mathrm {th \ , cond}}}}},
dove è la resistenza termica superficiale della parete.
rthvsonond=eλ{\ displaystyle r _ {\ mathrm {th \, cond}} = {\ frac {e} {\ lambda}}}
Convezione
Nel caso di scambio termico per convezione tra la superficie di un solido a temperatura e un fluido con coefficiente di convezione termica a temperatura , la legge di Newton fornisce l'espressione del flusso di calore superficiale:
Tp{\ displaystyle T_ {p}} h{\ stile di visualizzazione h}Tf{\ displaystyle T_ {f}}
φvsononv=h×(Tp-Tf)=(Tp-Tf)rthvsononv{\ displaystyle \ varphi _ {\ mathrm {conv}} = h \ volte (T_ {p} -T_ {f}) = {\ frac {(T_ {p} -T_ {f})} {r _ {\ mathrm {th \, conv}}}}}.
Il vettore della densità di flusso è orientato dal caldo al freddo nella direzione normale alla superficie di scambio termico. La resistenza termica superficiale associata è: .
rthvsononv=1h{\ displaystyle r _ {\ mathrm {th \, conv}} = {\ frac {1} {h}}}
Radiazione
Secondo la legge di Stefan-Boltzmann, il flusso di calore superficiale irradiato - chiamato anche uscita di energia nota - alla superficie di un corpo a temperatura può essere espresso:
M{\ stile di visualizzazione M}T{\ stile di visualizzazione T}
φrasì=M=ε⋅σ⋅T4{\ displaystyle \ varphi _ {\ mathrm {ray}} = M = \ varepsilon \ cdot \ sigma \ cdot T ^ {4}},
dove = 5.670 3 × 10 -8 W m -2 K -4 è la costante di Stefan-Boltzmann ed è l' emissività del materiale.
σ{\ displaystyle \ sigma} ε{\ displaystyle \ varepsilon}
Esempi
Gli scambiatori , i radiatori , la caldaia , le torri di raffreddamento , i dissipatori , i condensatori , ecc. utilizzare fenomeni di trasferimento di calore attraverso le pareti. Un fluido caldo trasferisce energia termica a un fluido freddo senza che si mescolino. I dispositivi cercano di aumentare la superficie di scambio per massimizzare gli scambi energetici.
In costruzione ingegneria termica , pareti, quali sezioni del tetto o qualsiasi altra parete , costituiscono l'involucro e la sua superficie di scambio con l'ambiente esterno. L' isolamento termico è quello di ridurre il flusso di calore attraverso le sue pareti.
Questo tipo di trasferimento può essere applicato a qualsiasi superficie di scambio tra due fluidi di diversa temperatura come la pelle, superficie di scambio termico tra il corpo e il suo ambiente.
Note e riferimenti
-
Jean-Luc Battaglia , Andrzej Kusiak e Jean-Rodolphe Puiggali , Introduzione ai trasferimenti di calore: corso ed esercizi corretti , Dunod,26 marzo 2014( ISBN 978-2-10-070540-5 , leggi online ).
-
Il Sistema Internazionale di Unità (SI) , Sèvres, Ufficio Internazionale dei Pesi e delle Misure ,2019, 9 ° ed. , 216 pag. ( ISBN 978-92-822-2272-0 , leggi online [PDF] ) , p. 28.
-
Conducibilità termica degli isolanti , Ed. Techniques Ingénieur ( leggi online ) , p. 12
-
Céline Deluzarche , “ Calore e temperatura: qual è la differenza? » , Su Futura (consultato il 5 giugno 2020 )
-
Collettivo, cap. 5 “Diffusione termica” , in Marc Venturi, Jean-Claude Hulot, Thermodynamique - MP PT PC PSI , Nathan, coll. "Preparazione scientifica",2008, 221 pag. ( ISBN 978-2-09-812177-5 , leggi in linea ) , p. 154.
-
Ana-Maria Bianchi , Yves Fautrelle e Jacqueline Etay , Trasferimenti termici , Presse politecniche PPUR,2004, 550 pag. ( ISBN 9782880744960 , leggi in linea ) , p. 38.
Vedi anche
Bibliografia
- Flussimetri Thermiques , Ed. Techniques Ingénieur ( leggi online )
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