Wärmestrom berechnen

Das Wärmestrom ist die Geschwindigkeit, mit der die Wärme über die Zeit übertragen wird. Da es sich um eine Rate der Wärmeenergie über die Zeit handelt, beträgt die SI-Einheit des Wärmestroms Joule pro Sekunde oder Watt (W)..

Wärme fließt durch die Leitung durch materielle Objekte, wobei erhitzte Partikel benachbarte Partikel mit Energie versorgen. Die Wissenschaftler untersuchten den Wärmefluss durch Materialien, lange bevor sie überhaupt wussten, dass die Materialien aus Atomen bestehen, und Wärmestrom ist eines der Konzepte, die in dieser Hinsicht hilfreich waren. Selbst heute, obwohl wir verstehen, dass Wärmeübertragung mit der Bewegung einzelner Atome zusammenhängt, ist es in den meisten Situationen unpraktisch und nicht hilfreich, die Situation auf diese Weise zu betrachten, und einen Schritt zurückzutreten, um das Objekt in größerem Maßstab zu behandeln, ist das am besten geeignet, um die Bewegung der Wärme zu studieren oder vorherzusagen.

Mathematik des Wärmestroms

Da der Wärmestrom den Fluss der Wärmeenergie über die Zeit darstellt, können Sie sich vorstellen, dass er eine kleine Menge an Wärmeenergie darstellt, dQ (Q. ist die Variable, die üblicherweise zur Darstellung von Wärmeenergie verwendet wird und über eine winzige Zeitspanne übertragen wird, dt. Die Variable verwenden H um den Wärmestrom darzustellen, erhalten Sie die Gleichung:

H = dQ / dt

Wenn Sie Vorkalkül oder Kalkül genommen haben, werden Sie vielleicht feststellen, dass eine Änderungsrate wie diese ein Paradebeispiel dafür ist, wann Sie ein Limit nehmen möchten, wenn sich die Zeit Null nähert. Experimentell können Sie dies tun, indem Sie die Wärmeänderung in immer kürzeren Zeitintervallen messen.

Experimente zur Bestimmung des Wärmestroms ergaben die folgenden mathematischen Zusammenhänge:

H = dQ / dt = kA (T_H - T_C) / L

Das mag wie ein einschüchterndes Array von Variablen erscheinen, also lasst uns diese aufschlüsseln (von denen einige bereits erklärt wurden):

• H: Wärmestrom
• dQ: geringe Wärmeübertragung im Laufe der Zeit dt
• dt: kleine Zeitspanne über die dQ wurde transferiert
• k: Wärmeleitfähigkeit des Materials
• EIN: Querschnittsfläche des Objekts
• T_H - T_C: Der Temperaturunterschied zwischen der wärmsten und der kältesten Temperatur im Material
• L: die Länge, über die die Wärme übertragen wird 

Es gibt ein Element der Gleichung, das unabhängig betrachtet werden sollte:

(T_H - T_C) / L

Dies ist der Temperaturunterschied pro Längeneinheit, bekannt als Temperaturgefälle.

Wärmewiderstand

In der Technik verwenden sie häufig das Konzept des Wärmewiderstands, R, um zu beschreiben, wie gut ein Wärmeisolator die Übertragung von Wärme über das Material verhindert. Für eine dicke Materialplatte L, Die Beziehung für ein bestimmtes Material ist R = L / k, Daraus ergibt sich folgende Beziehung:

H = EIN(T_H - T_C) / R