Varme

Fra Wikipedia, den frie encyklopedi

Varme (med standardsymbol Q) er etter en streng definisjon termisk energi overført fra et sted med høyere temperatur til et sted med lavere temperatur. Varme kan bare overføres mellom objekter som står i fysisk kontakt med hverandre. SI-enheten for varme er Joule (J). Som folkelig begrep blir ordet som regel brukt om temperatur; en sier gjerne at en gjenstand med høy temperatur er varm. SI-enheten for temperatur er Kelvin (K).

Varme strømmer mellom områder som ikke er i termisk likevekt med hverandre. Varme strømmer fra områder med "høy" temperatur til områder med "lav" temperatur. Alle fysiske objekter har et gitt mengde indre energi som er knyttet til den tilfeldige bevegelse av deres molekyler (eller atomer for monoatomære substanser). Denne indre energien er positivt korrelert (tilnærmet lineært) til objektets temperatur. Hvis to objekter med ulike temperatur er i termisk kontakt, så vil de utveksle indre energi helt til temperaturene er utjevnet. Mengden energi utvekslet er det samme som overført varme.

[rediger] Betegnelser

Når et objekt frigjør varme til omgivelsene er Q < 0, og motsatt gjelder at hvis et objekt opptar varme fra omgivelsene er Q > 0.

Varmeinnhold, varmeoverføring og varmetetthet (varmefluks) symboliseres alle med varianter av bokstaven Q. De blandes derfor i ulike sammenhenger.

Varmeinnhold skrives Q, og måles i joule (J).
Varmeoverføring eller varmestrøm, betegnes

$\dot{Q} = {dQ\over dt}$

Den måles i J/s eller W (Watt).

Varmestrømtetthet eller varmefluks defineres som varme per tid forløpt og gjennomstrømmet areal og betegnes q og måles i W/m².

[rediger] Temperaturendringer

Varmemengden $Δ Q$ som kreves for å endre temperaturen for et materiale from en start-temperatur T₀ til en slutt-temperatur T_f avhenger av varmekapasiteten til materialet etter relasjonen:

$\Delta Q = \int_{T_0}^{T_f}C_p\,dT.$

Varmekapasiteten avhenger både av mengden materiale som utveksler varme og materialets egenskaper. Varmekapasiteten kan faktoriseres på ulike måter. Først og femst kan den representeres som produktet av masse og spesifikk varmekapasitet (ofte forenklet kalt spesifikk varme):

C p = m c s

eller produktet av antall mol og molar varmekapasitet:

C p = n c n .

Både molar og spesifikk varmekapasitet avhenger kun av de fysiske egenskaper for materialet som varmes opp, ikke av særskilte egenskaper ved materialprøven som sådan. Definisjonene av varmekapasitet ovenfor er tilnærmet riktig for faste stoffer og væsker, mens for gasser kan avviket være stort. Den molare varmekapasitet deles i to, avhengig av om temperaturendringen foregår ved konstant volum eller konstant trykk. Forøvrig er det normalt enklest å anvende termodynamikkens første lov sammen med en likning som angir sammenhengen mellom gassens indre energi og temperaturen.

[rediger] Faseendring

En kokende kjele med vann ved normalt atmosfæretrykk ved havoverflaten vil alltid være på 100 °C uansett hvor mye varme som tilføres. I stedet vil varmen bidra til å endre vannets fase eller aggregattilstand fra væske til vanndamp. Varmen som endrer vannets fase kan sies å være skjult og betegnes derfor latent varme (fra det latinske ordet for skjult). Latent varme er varme per masse som er nødvendig for å endre aggregattilstanden for et gitt stoff. Dvs.:

$L = \frac{Q}{\Delta m}$

$Q = \int_{M_0}^{M} L\,dm$

hvor $M 0$ er massen som i utgangspunktet er i den nye tilstanden, og M er massen som til slutt er i den nye fasen.

L er normalt uavhengig av massen som endrer fase, så likningen kan vanligvis skrives:

Q = L Δ m .

Noen ganger kan L være tidsavhengig hvis trykk og volum varierer med tiden, slik at integralen kan skrives:

$Q = \int L\frac{dm}{dt}dt.$

[rediger] Varmetransportmekanismer

Som nevnt ovenfor vil varme søke å flytte seg fra et område med en gitt temperatur til et område med lavere temperatur. Denne varmetransporten foregår via en eller flere av mekanismene varmeledning, konveksjon og stråling.

[rediger] Varmeledning

Varmeledning eller termisk konduksjon en den vanligste måten varme transporteres i et faststoff. I en mikroskopisk skala foregår varmeledningen ved at varme, hurtigbevegende eller vibrerende atomer eller molekyler vekselvirker med naboatomer og/eller -molekyler og derigjennom overfører noe av sin energi (varme) til disse naboene. I isolatorer vil varme overføres hovedsakelig ved fononvibrasjoner.

Metaller i fast form har stor varmeledningsevne eller termisk konduktivitet. Det er de fri elektroner som bidrar med det meste av varmeledningen. (Fononstrømmer er fortsatt til stede, men bidrar med mindre enn 1%.) De fri elektronene leder også elektrisk strøm i metaller. Det kan forklare hvorfor forholdet mellom termisk konduktivitet og elektrisk konduktivitet har stort sett samme verdi for alle metaller. Det betyr at et godt elektrisk ledende metall, slik som kobber, også er en god varmeleder.

Peltier-Seebeck-effekten uttrykker fenomenet at en temperaturgradient setter opp et elektrisk felt i et elektrisk ledende faststoff. Termoelektrisitet oppstår fra relasjonen mellom elektronene, varmestrømmer og elektriske strømmer.

[rediger] Konveksjon

Konveksjon er normalt den dominerende varmetransport-mekanismen i væsker og gasser. Konveksjon er omrørende strømning i et fluid. For eksempel når vann varmes i en kjele på en komfyrplate, vil varmt vann fra bunnen av kjelen stige opp slik at det blander seg med det kaldere vannet i overflaten eller tvinger dette ned mot bunnen. Det er vanlig å skille mellom to typer konveksjon, fri konveksjon (eller naturlig konveksjon) drevet av tyngde/oppdrifts-krefter, og tvungen konveksjon som krever en vifte, pumpe eller liknende.

Oppdrifts-konveksjon skyldes tyngdekraften, og er fraværende under mikrogravitasjonsforhold.

[rediger] Stråling

Stråling er også en varmeutvekslingsmekanisme. Det er den eneste varmeutveksling som foregår i fravær av et transportmedium, og derfor eneste måten varme kan transporteres gjennom vakuum. Termisk stråling er et direkte resultat av atom/molekyl-bevegelser i materialet. Siden disse atomene og molekylene inneholder ladete partikler (protoner og elektroner), vil deres bevegelser gi en utsendelse av elektromagnetisk stråling som frakter energi vekk fra overflaten. Samtidig vil den samme overflaten bestråles fra omgivelsene som den "ser". Mengden utsendt stråling øker med temperaturen. Netto strålingsutveksling vil gå i pluss eller minus avhengig av hvor stor miksen av temperaturer på overflatene som deltar er i forhold til egen overflatetemperatur.

For objekter ved romtemperatur (~300 K) vil de fleste fotonene som sendes ut fra overflaten være i den infrarøde delen av spekteret. Det betyr ikke at dette er det eneste frekvensområdet som bidrar til strålingen. Frekvensene som sendes ut følger i stor grad loven for stråling fra et svart legeme som innebærer at strålingen fordeler seg over et stort frekvensområde med et intensitetsmaksimum som er temperaturavhengig (Wiens forskyvningslov). For varme objekter som et bål med temperaturer rundt 700 K vil de mest intense frekvensene ligge i den synlige del av spekteret. Hver gang elektromagnetisk stråling sendes ut og deretter absorberes blir varme overført. Dette prinsippet brukes f.eks. i mikrobølgeovner og ved laserskjæring.

[rediger] Varmeoverførings-egenskaper

Latent varme: Overføring av varme ved endring av aggregattilstand slik som vann-til-is og vann-til-damp innebærer stor energiomvandling og kan utnyttes på mange måter: dampmaskin, kjøleskap etc. (ref. smeltevarme og frysevarme).
Heat pipe: Det å bruke latent varme og kapillæreffekt for å fjerne varme er en effektiv metode som begynner å få anvendelser f.eks. i bærbare PC-er.

[rediger] Varmetap

I kalde klimaer representerer varmetap fra oppvarmede hus et betydelig energisluk selv om de stadig blir bedre isolert. Dette skyldes økende krav til komfort og derigjennom høyning av temperaturnivå. I slike hus vil bruk av termostater satt til kritisk komfort-temperatur bidra til å begrense oppvarmingsbehovet. Temperatursenking på natten og når ingen er til stede i huset, bidrar også. Som mål på en bygnings varmetap brukes varmetapstallet, som er varmetapet i W/m² oppvarma golvareal ved en temperaturforskjell på én grad mellom inne og ute.

[rediger] Se også

[rediger] Eksterne lenker

Kategori: Termodynamikk

See also ebooksgratis.com: no banners, no cookies, totally FREE.