Θερμότητα

Θερμότητα ονομάζεται η ποσότητα ενέργειας (θερμικής ενέργειας) που ακτινοβολεί κάθε υλικό σώμα με συνέπεια να μεταφέρεται μεταξύ όμορων σωμάτων ή μορίων λόγω της διαφοράς θερμοκρασίας των. Γενικότερα με τον όρο θερμότητα μπορούμε να ορίσουμε τη μεταφορά ενέργειας από ένα σύστημα προς το περιβάλλον του, σαν συνέπεια μόνο της διαφοράς θερμοκρασίας.
Οι άνθρωποι και ο ζωϊκός κόσμος γενικά διατηρούνται στη ζωή γιατί το σώμα τους απελευθερώνει θερμότητα, προσφέροντας έτσι στους οργανισμούς τους την απαραίτητη ενέργεια. Η θερμότητα αξιοποιείται από τις απλές οικιακές συσκευές μέχρι και τους τεχνητούς δορυφόρους.

[Επεξεργασία] Ορισμός

Κατόπιν των παραπάνω συνάγεται ότι:

Θερμότητα είναι η μορφή ενέργειας που υψώνει ή μειώνει τη θερμοκρασία των σωμάτων.

[Επεξεργασία] Γενικά

[Επεξεργασία] Μονάδες μέτρησης

Μονάδα μέτρησης στο Διεθνές Σύστημα Μονάδων είναι το joule. Στο Τεχνικό Σύστημα η μονάδα θερμότητας είναι η Βρετανική μονάδα θερμότητας (Btu) που ορίζεται σαν η θερμότητα η αναγκαία για να αυξηθεί η θερμοκρασία μίας λίβρας νερού από τους 63 στους 64 βαθμούς Φαρενάιτ.
Η θερμίδα (cal) και η χιλιοθερμίδα (kcal) ήταν η μονάδα που χρησιμοποιήθηκε αρχικά για τη θερμότητα. Μια χιλιοθερμίδα ορίζεται σαν το ποσό θερμότητας που πρέπει να δώσουμε σε ένα λίτρο νερού που βρίσκεται σε ατμοσφαιρική πίεση για να αυξηθεί η θερμοκρασία του κατά ένα βαθμό.

Οι μονάδες θερμότητας έχουν μεταξύ τους τις ακόλουθες σχέσεις: 1 kcal = 1000 cal = 4186,8 joules = 3.968 btu.

[Επεξεργασία] Θερμοχωρητικότητα

Ο λόγος της θερμότητας ΔQ που προσφέρεται σε ένα σώμα σε σχέση με την ανύψωση της θερμοκρασίας του ΔΤ ονομάζεται Θερμοχωρητικότητα C = δQ/dΤ. Η ειδική θερμοχωρητικότητα αναφέρεται στη μονάδα της μάζας, ενώ η γραμμομοριακή θερμοχωρητικότητα αναφέρεται σε ένα mole του υλικού.

Εν γένει, η θερμοχωρητικότητα ενός υλικού δεν είναι μια σταθερά, αλλά εξαρτάται από τη διαδικασία που ακολουθείται κατά τη θέρμανση του υλικού. Δηλαδή, για την ίδια μεταβολή θερμοκρασίας ΔT, διαφορετικές διαδικασίες θέρμανσης μπορεί να απαιτούν διαφορετικά ποσά θερμότητας ΔQ.

Θερμική ροή ονομάζεται ο λόγος της θερμότητας ΔQ που προσφέρεται σε ένα σώμα σε σχέση με το χρόνο dτ Q = ΔQ/dτ.

[Επεξεργασία] Διάδοση Θερμότητας

[Επεξεργασία] Διάδοση της θερμότητας με αγωγή

Σύμφωνα με τον Νόμο του Φουριέ, η μεταφορά θερμότητας με αγωγή εκφράζει τη ροή θερμότητας Q από ένα σώμα στο άλλο μέσω επαφής και είναι ανάλογη με τη διαφορά θερμοκρασίας τους. Ειδικότερα ισχύει: Q = λAΔΤ/Δx

`Οπου λ ονομάζεται η θερμική αγωγιμότητα του θερμαινόμενου υλικού και εξαρτάται από το υλικό που χρησιμοποιούμε προς μελέτη, Α είναι η επιφάνεια επαφής και Δx το πάχος του υλικού.

Στα αγγλικά αναφέρεται ως Heat Conduction

[Επεξεργασία] Διάδοση της θερμότητας με μεταφορά (ή συναγωγή)

Στα υγρά και τα αέρια η θερμότητα διαδίδεται με μεταφορά. Κατά την μεταφορά αυτή, ποσότητες υγρού ή αερίου θερμαίνονται και μεταφέρονται σε ψυχρότερη περιοχή, όπου και προκαλούν την θέρμανσή της. Μπορεί να υπάρξει διάδοση μεταξύ στερεού και υγρού ή αέριου σώματος. H γενική σχέση είναι: $Q=h\cdot \Alpha \cdot \Delta T$ όπου

h ο συντελεστής μετάφοράς ο οποίος εξαρτάται απο το ρευστό και απο την ταχύτητα του
Α η επιφάνεια με την οποία το ρευστό βρίσκεται σε επαφή
ΔΤ η διαφορά θερμοκρασιών ρευστού και επιφάνειας

Η μεταφορά (ή συναγωγή) διακρίνεται σε Ελεύθερη (Free Convection) και Εξαναγκασμένη (Forced Convection).

Όταν το ρευστό βρίσκεται σε ηρεμία έχουμε ελεύθερη μεταφορά και η κίνηση του είναι αποτέλεσμα ανωστικών δυνάμεων που δημιουργούνται λόγω διαφοράς πυκνότητας η οποία οφείλεται στην αύξηση ή τη μείωση της θερμοκρασίας του.
Όταν το ρευστό έχει κάποια ταχύτητα έχουμε εξαναγκασμένη μεταφορά. Στην εξαναγκασμένη μεταφορά έχουμε μεγαλύτερο ρυθμό μετάδοσης θερμότητας απο ότι στην ελεύθερη μεταφορά λόγω αύξησης του συντελεστή μετάδοσης θερμότητας h.

[Επεξεργασία] Διάδοση της θερμότητας με ακτινοβολία

Για την διάδοση της θερμότητας με αγωγή ή με μεταφορά χρειάζεται n παρουσία της ύλης (στερεά, υγρά ή αέρια). Η θερμότητα όμως διαδίδεται και στο κενό. Γνωστό παράδειγμα στη φύση είναι η θέρμανση της Γης από τον `Ηλιο, όπου δεν υπάρχει μέσο διάδοσης.

Ο τρόπος αυτός διάδοσης της θερμότητας λέγεται διάδοση με ακτινοβολία.

Η θερμική ακτινοβολία διαδίδεται στο χώρο με ηλεκτρομαγνητικά κύματα (όμοια με τα φωτεινά), απορροφάται από τα διάφορα σώματα και τα θερμαίνει.

Η μετάδοση θερμότητας με ακτινοβολία θεωρείται συνήθως αμελητέα σε χαμηλές θερμοκρασίες και έτσι δεν λαμβάνεται υπόψιν. Για μέταλλα π.χ δεν συνυπολογίζεται για θερμοκρασίες χαμηλώτερες της θερμοκρασίας ερυθροποίησης του μετάλλου.