Verschil tussen convectie en geleiding

Inhoudsopgave:

Belangrijkste verschil - Convectie versus geleiding
Wat is geleiding?
Wat is convectie?
Verschil tussen convectie en geleiding

Belangrijkste verschil - Convectie versus geleiding

Convectie en geleiding zijn beide mechanismen van warmteoverdracht. De grootste verschil tussen convectie en geleiding is dat, in convectie, warmte wordt overgedragen via een massastroom van materiaal terwijl, in geleiding, warmte wordt overgedragen door botsingen van deeltjes waaruit het materiaal bestaat.

Wat is geleiding?

Deeltjes waaruit materie bestaat, zijn altijd in beweging. Wanneer de temperatuur stijgt, hebben de deeltjes grotere kinetische energieën, en bijgevolg trillen ze met grotere amplituden. Tijdens geleiding klopt een trillend deeltje een naburig deeltje, waardoor energie aan dat deeltje wordt gegeven. Dit deeltje trilt nu met een grotere amplitude en kan botsen met een ander naburig atoom, waardoor het energie krijgt. Dit proces van energieoverdracht kan doorgaan van het ene uiteinde van een object naar het andere uiteinde. Aangezien een toename van de kinetische energie van deeltjes zich fysiek manifesteert als een temperatuurstijging, gaat de geleidelijke toename van de kinetische energieën van deeltjes langs het object gepaard met een geleidelijke toename van de temperatuur langs het object. Dit proces, waarbij warmte wordt overgedragen als gevolg van botsende deeltjes heet geleiding.

Het vermogen van een materiaal om warmte over te dragen via geleiding wordt gekenmerkt door zijn geleidbaarheid. De snelheid van warmteoverdracht,

of de warmtestroom, tussen twee objecten met een temperatuurverschil van

is gegeven door

waar

zijn respectievelijk het dwarsdoorsnede-oppervlak en de lengte van de geleider die warmte overbrengt. De brief

is de warmtegeleiding, gemeten in eenheden van W m^-1 K^-1.

Zoals blijkt uit de vergelijking, is de snelheid van warmteoverdracht recht evenredig met het temperatuurverschil en het dwarsdoorsnede-oppervlak van de geleider, en omgekeerd evenredig met de lengte van de geleider. De waarde van thermische geleidbaarheid hangt af van de microscopische eigenschappen van het materiaal. Metalen zijn goede warmtegeleiders omdat ze een groot aantal vrije elektronen bevatten die vrij kunnen botsen om energie over te dragen. Ondertussen trillen de ionen die het rooster vormen om vaste posities ook met elkaar in botsing en dragen ze warmte over. De vrije elektronen zijn echter verantwoordelijk voor het grootste deel van de warmteoverdracht in metalen.

Wat is convectie?

Convectie is het mechanisme van warmteoverdracht in materialen door een massastroom van het materiaal. Hier, om warmte over te dragen, bewegen delen van het materiaal zelf - d.w.z. er is een overdracht van massa binnen het materiaal. Meestal vindt convectie plaats in vloeistoffen. Echter, effecten van convectie kunnen soms worden gezien in vaste stoffen, zoals in het geval van platentektoniek. Het onderstaande diagram toont de wervelende convectiepatronen die worden gevormd door stoom die opstijgt uit een kopje koffie:

Convectiestromen beginnen zich te vormen in stoom die opstijgt uit een kop hete vloeistof

Convectie is een complex proces en er is geen eenvoudige vergelijking die het volledig beschrijft. We kunnen echter een benadering gebruiken voor gevallen waarin een vloeistof wordt verwarmd met behulp van een vast oppervlak. Voor deze gevallen is de warmteoverdrachtssnelheid

is gegeven door,

waar

is het oppervlak waardoor warmte wordt overgedragen,

is de temperatuur van de vaste stof,

is de temperatuur van lucht.

staat bekend als de convectieve warmteoverdrachtscoëfficiënt. Deze coëfficiënt is afhankelijk van een aantal eigenschappen, waaronder de dichtheid, viscositeit en de stroomsnelheid van de vloeistof. De eenheid voor convectieve warmteoverdrachtscoëfficiënt is W m^-2 K^-1.

Merk op dat de vloeistoffen die warmte overdragen via convectie ook warmte overdragen via geleiding. Als de geleiding zeer effectief is, kan het de vorming van convectiestromen voorkomen en de convectieve warmteoverdracht belemmeren. Of het dominante warmteoverdrachtsmechanisme geleiding of convectie voor een vloeistof is, kan worden gevonden door een getal te berekenen dat bekend staat als de Rayleigh-nummer:.

Het onderstaande diagram illustreert gevallen waarin elk van de drie soorten warmteoverdrachtsmechanismen dominant is.

Verschil tussen de drie belangrijkste mechanismen voor warmteoverdracht geïllustreerd: het verschil tussen convectie en straling werd behandeld in een ander artikel.