ה זרם חום הוא הקצב שאליו מועבר חום לאורך זמן. מכיוון שזה קצב של אנרגיית חום לאורך זמן, יחידת SI של זרם החום הוא ג'ול לשנייה, או וואט (W).
חום זורם באמצעות עצמים חומריים דרך הולכה, כאשר חלקיקים מחוממים מקנים את האנרגיה שלהם לחלקיקים שכנים. מדענים בחנו את זרימת החום דרך חומרים עוד לפני שהם ידעו שהחומרים מורכבים מאטומים, וזרם החום הוא אחד המושגים שהועילו לעניין זה. גם היום, אם כי אנו מבינים העברת חום להיות קשור לתנועה של אטומים בודדים, ברוב המצבים זה לא מעשי ולא מועיל לנסות לחשוב על המצב בדרך זו, והליכה חזרה לטיפול באובייקט בקנה מידה גדול יותר היא הדרך המתאימה ביותר ללמוד או לחזות את התנועה של חום.
מתמטיקה של זרם חום
מכיוון שזרם החום מייצג את הזרימה של אנרגיית חום עם הזמן, אתה יכול לחשוב על זה כמייצג כמות זעירה של אנרגיית חום, dQ (ש הוא המשתנה הנפוץ לייצוג אנרגיית חום) המועבר לאורך זמן זעיר, dt. באמצעות המשתנה ח כדי לייצג זרם חום זה נותן לך את המשוואה:
ח = dQ / dt
אם לקחת חשבון מראש או חשבון, ייתכן שתבינו ששיעור שינוי כזה הוא דוגמא עיקרית למצב בו הייתם רוצים לקחת גבול ככל שהזמן מתקרב לאפס. באופן ניסיוני, אתה יכול לעשות זאת על ידי מדידת שינוי החום במרווחי זמן קטנים יותר וקטנים יותר.
ניסויים שנערכו בכדי לקבוע את זרם החום זיהו את הקשר המתמטי הבא:
ח = dQ / dt = kA (טח - טג) / ל
זה אולי נראה כמו מערך משתנים מאיים, אז בואו נשבר את אלה (שחלקם כבר הוסברו):
- חזרם חום
- dQכמות קטנה של חום המועברת לאורך זמן dt
- dtפרק זמן קטן dQ הועבר
- k: מוליכות תרמית של החומר
- א: שטח חתך של האובייקט
- טח - טג: הפרש הטמפרטורות בין הטמפרטורות החמות והקרירות ביותר בחומר
- ל: האורך שאליו מועבר החום
יש אלמנט אחד במשוואה שצריך לקחת בחשבון באופן עצמאי:
(טח - טג) / ל
זהו הפרש הטמפרטורה לכל אורך יחידה, המכונה שיפוע טמפרטורה.
התנגדות תרמית
בהנדסה הם משתמשים לעתים קרובות במושג ההתנגדות התרמית, ר, כדי לתאר עד כמה טוב מבודד תרמי מונע את העברת החום לרוחב החומר. עבור לוח חומר בעובי ל, הקשר בין חומר נתון הוא ר = ל / kוהתוצאה היא מערכת יחסים זו:
ח = א(טח - טג) / ר