Ce este transferul de căldură?

Energia internă a moleculelor este transferată prin impactul cu alte molecule. Zonele cu temperaturi scăzute vor fi ocupate de molecule cu temperaturi ridicate și viceversa. Conductivitatea termică poate fi explicată cu această imaginație și poate fi derivată cu ajutorul teoriei cinetice a gazelor:

$$T = \frac{2}{3} \frac{K}{N k_B}$$

care afirmă că „energia cinetică moleculară medie este direct proporțională cu temperatura absolută pentru un gaz ideal”\(^6\). Conductivitatea termică este independentă de presiune și crește cu rădăcina temperaturii.

Această teorie este destul de greu de înțeles pentru alte obiecte decât metalele. Iar pentru fluide, este și mai dificilă, deoarece nu există o teorie simplă. In nonmetallic components, heat transfers via lattice vibrations (Phonon). The thermal conductivity transferred by phonons also exists in metals but is surpassed by the conductivity of electrons.

The low thermal conductivity of insulating materials like polystyrene or glass wool is based on the principle of low thermal conductivity of air (or any other gas). The following table lists some of the commonly used elements/materials and their thermal conductivities:

Material	Thermal conductivity \(W/(m.K)\)
Oxygen	0.023
Steam	0.0248
Polystyrene	0.032-0.050
Water	0.5562
Glass	0.76
Concrete	2.1
Steel high-alloyed	15
Steel unalloyed	48-58
Iron	80.2
Copper pure	401
Diamond	2300

Analogous definitions

Heat Transfer: Heat flux density \(\propto\) grad T (Thermal conductivity)

Diffusion: Partial current density \(\propto\) grad x (Diffusion coefficient)

Electric lead: Current density \(\propto\) grad \(U_{el}\) (Electric conductivity)

Radiation

Radiation describes the phenomenon of transmission of energy from one body to another by propagation irrespective of a medium. All bodies constantly emit energy by electromagnetic radiation. The intensity of such energy flux depends not only on the temperature of the body but also on the surface characteristics. If you sit in front of a campfire, most of the heat that reaches you is radiant energy. Foarte adesea, emisia de energie, sau transferul de căldură radiantă, de la corpurile mai reci poate fi neglijată în comparație cu convecția și conducția. Procesele de transfer de căldură care au loc la temperaturi ridicate, sau cu conducție sau convecție suprimată de o izolație vidată, implică o fracțiune semnificativă de radiație în general\(^1\).

Spectrul electromagnetic (EM): Acest spectru reprezintă gama tuturor tipurilor de radiații electromagnetice. Simplu spus, radiația este energia care călătorește și se răspândește, cum ar fi fotonii emiși de o lampă sau undele radio. Alte tipuri bine cunoscute de radiații electromagnetice sunt razele X, razele gamma, microundele, lumina infraroșie etc.(^7\\).

Radiația electromagnetică poate fi văzută ca un flux de fotoni, fiecare dintre ei călătorind în formă de undă, deplasându-se cu viteza luminii și transportând energie. Diferitele radiații electromagnetice sunt clasificate în funcție de energia fotonilor din ele. It is important to keep in mind that if we talk about the energy of a photon, the behavior can either be that of a wave or of a particle called the „wave-particle duality” of light.

Each quantum of radiant energy has a wavelength, \(\lambda\) and a frequency, \(\nu\), associated with it. The relation between energy, wavelength, \(\lambda\) and frequency, \(\nu\), can be written as wavelength equals the speed of light divided by the frequency, or

$$\lambda = \frac{c}{\nu}$$

and energy equals Planck’s constant times the frequency, or

$$E = h*\nu$$

where \(h\) is Planck’s constant \((6,626 070 040 * 10^{-34} Js )\).

The table below shows various forms over a range of wavelengths. Thermal radiation is from 0.1-1000 \(\mu m\).

Characterization	Wavelength
Gamma rays	0.3 100 \(pm\)
X-rays	0.01-30 \(nm\)
Ultraviolet light	3-400 \(nm\)
Visible light	0.4-0.7 \(\mu m\)
Near infrared radiation	0.7-30 \(\mu m\)
Far infrared radiation	30-1000 \(\mu m\)
Microwaves	10-300 \(mm\)
Shortwave radio TV	300 \(mm\)-100 \(m\)

A body that can emit radiation \((\dot{Q_E})\) can also reflect \((\dot{Q_R})\), transmit \((\dot{Q_T})\), and absorb \((\dot{Q_A})\) the falling radiation.

$$\dot{Q} = \dot{Q_A} + \dot{Q_T} +\dot{Q_R}$$

$$1 = \frac{\dot{Q_A}}{\dot{Q}} + \frac{\dot{Q_T}}{\dot{Q}} +\frac{\dot{Q_R}}{\dot{Q}}$$

$$1 = \alpha^S + \tau^S + \rho^S$$

where

$$\alpha^S : \text{Absorptance}$$

$$\tau^S : \text{Transmittance}$$

$$\rho^S : \text{Reflectance}$$

Different materials are commonly classified according their radiation characteristics as:

Black Body: \(\quad\) \(\alpha^S = 1\) \(\quad\) \(\rho^S = 0\) \(\quad\) \(\tau^S = 0\)

Gray Body: \(\quad\) \(\alpha^S, \rho^S\) and \(\tau^S\) uniform for all wavelengths.

White Body: \(\quad\) \(\alpha^S = 0\) \(\quad\) \(\rho^S = 1\) \(\quad\) \(\tau^S = 0\)

Opaque Body: \(\quad\) \(\alpha^S + \rho^S = 1\) \(\quad\) \(\tau^S = 0\)

Transparent Body: \(\(\quad\) \(\alpha^S = 0\) \(\quad\) \(\rho^S = 0\) \(\quad\) \(\tau^S = 1\)

Corp negru:

„Radiația corpului negru” se referă la un obiect sau sistem în echilibru termodinamic care absoarbe toate radiațiile primite și emite energie cu un spectru caracteristic, dependent de temperatură. Acest comportament este specific doar acestui sistem radiant și nu depinde de tipul de radiație care este incidentă asupra lui\(^4\).

Legea lui Stefan-Boltzmann: Energia termică radiată de un radiator de corp negru pe secundă pe unitatea de suprafață este proporțională cu puterea a patra a temperaturii absolute și este dată de:

$$\frac{P}{A} = \sigma T^4$$$

unde \(\sigma\) este constanta Stefan-Boltzmann care poate fi derivată din alte constante ale naturii:

$$$\sigma = \frac{2\pi ^5 k^4}{15c^2 h^3} = 5.670373 * 10^{-8} \quad Wm^{-2}K^{-4}$$

Pentru alte obiecte fierbinți decât radiatoarele ideale, legea se exprimă sub forma:

$$$\frac{P}{A} =e \sigma T^4$$$

unde \(e\) este emisivitatea obiectului (\(e\) = 1 pentru radiatorul ideal). Dacă obiectul fierbinte radiază energie către mediul înconjurător mai rece la temperatura \(T_c\), rata netă |link3| ia forma:

$$P = e\sigma A(T^4 – T^4_c)$$

Datorită puterii a patra a temperaturilor din ecuația de guvernare, radiația devine un fenomen neliniar foarte complex, de nivel înalt\(^2\).

Convecție

Considerăm o situație de răcire prin convecție. Un gaz rece curge pe lângă un corp cald, așa cum se arată în figura de mai jos: