Wymiana ciepła — czym jest?

Termin “wymiana ciepła”, a inaczej “transport” lub “przekazywanie” ciepła to sposób przekazywania energii między dwoma lub więcej układami termodynamicznymi. Najprostsza zasada jej działania mówi o tym, że ciepło transportowane jest od ciała o wyższej temperaturze, do ciała o niższej temperaturze. Założenie to jest zgodne z drugą zasadą termodynamiki. Jednostką wymiany ciepła w układzie SI jest dżul (J). 

Wymiana ciepła — sposoby

O sposobach wymiany ciepła uczymy się już na etapie szkoły podstawowej, a później w liceum. Zrozumienie praw przyrody pozwala nam na lepsze poznanie świata i zjawisk, które nas otaczają. 

Wyróżnia się trzy podstawowe sposoby wymiany ciepła i są to:

• konwekcja — polega na unoszeniu energii cieplnej w wyniku przemieszczania się płynu lub gazu. Może być ona naturalna lub wymuszona. W tym pierwszym przypadku ruch cząstek płynu lub gazu transportowany jest na skutek różnicy w gęstości, która wynika z wielkości temperatury. W tym drugim z kolei, ruch napędzany jest przez czynnik zewnętrzny np. pompę,
• przewodzenie ciepła — ruch cząstek energii jest bezładny i chaotyczny. W jego trakcie dochodzi do licznych zderzeń,
• promieniowanie cieplne — wymaga ośrodka pomiędzy ciałami, przez które energia jest wymieniana np. próżnia.

Liczba Grashofa

Nazwa “liczba Grashofa” została opracowana przez inżyniera pochodzenia niemieckiego — Franza Grashofa. Określa ona prawdopodobieństwa wykorzystywania płynów w wymianie ciepła i mechanice. Liczba Grashofa to stosunek siły wyboru do siły lepkości danego płynu. 

Wzór ten wygląda następująco:

Gr =gβΔ TL _c^3ρ^2/μ^2, gdzie

z:

• g – to przyspieszenie ziemskie,
• β – to współczynnik rozszerzalności,
• Δ T – to różnica temperatur,
• L _c – to długość charakterystyczna,
• ρ – to gęstość płynu,
• μ – lepkość dynamiczna.

W praktyce zastosowanie wzoru na liczba Grashofa ma miejsce jedynie na potrzeby specjalistów, w tym inżynierów i mechaników. Dzięki precyzyjnym obliczeniem możliwe jest określenie stopnia wymiany ciepła między układami. Poza wzorem na liczbę Grashofa wyróżnić można jeszcze kilka sposobów na obliczenie wielkości energii cieplnej. 

Wymiana ciepła na Ziemi 

Głównym źródłem emisji ciepła na ziemi jest promieniowanie słoneczne. Warto jednak pamiętać, że ważnym źródłem promieniowania słonecznego jest nie tylko Słońce, ale także atmosfera ziemska i sama Ziemia. Są one ośrodkami materialnymi, których temperatura jest wyższa niż 0K, czyli zera bezwzględnego. Wymiana ciepła między tymi trzema ośrodkami wpływa na kształtowanie klimatu na Ziemi.

Energia cieplna, które dociera na powierzchnię Ziemi zostaje zarówno pochłonięta i zamieniona w ciepło, jak i odbita. Ta ostatnia nie ma żadnego wpływu na nagrzewanie się planety. Lądy nagrzewają się znacznie szybciej, niż zbiorniki wodne, w tym morza i oceany. Co jednak ciekawe, utrata ciepła zachodzi dokładnie w taki sam sposób. 

W jaki sposób na Ziemii odbywa się adwekcja i konwekcja termiczna? Adwekcja termiczna ma miejsce, gdy dochodzi do wymiany ciepła w wyniku ruchów powietrza. Miejscem na planecie, który jest głównym źródłem tego rodzaju energii jest strefa równikowa. Konwekcja termiczna pojawia się na skutek nierównomiernego nagrzewania się mas powietrza  nad terenem o zróżnicowanych temperaturach. W godzinach południowych obserwuje się najwyższy rozwój konwekcji. Ma to związek z wysoką temperaturą między dolnymi warstwami powietrza, a podłożem. 

Wymiana ciepła to bardzo szerokie pojęcie wyjaśniające podstawowe zasady fizyki. Zachodzi ono nie tylko między wielkimi obiektami, ale także ciałem człowieka a otoczeniem, a także urządzeniami, będącymi źródłem ciepła.