Wanneer thermische energie van het ene systeem naar het andere wordt overgedragen door de verspreiding van warmte, wordt het fenomeen warmteoverdracht genoemd.
Dit kan op drie manieren: geleiding, convectie en straling.
Geleiding versus convectie versus straling
De verschil tussen geleiding, convectie en straling gaat over de manier waarop warmte wordt overgedragen van een zone met hogere kinetische energie naar een zone met lagere kinetische energie. Bij geleiding gebeurt dit door direct fysiek contact tussen twee objecten. Convectie daarentegen vindt plaats wanneer de warmte wordt overgedragen door de beweging van moleculen. Straling vereist geen fysiek contact tussen twee objecten zoals de andere methoden.
Vergelijkingstabel tussen geleiding, convectie en straling (in tabelvorm)
| Parameter van vergelijking: | Geleiding | Convectie | straling |
|---|---|---|---|
| Definitie | Proces van warmteoverdracht tussen objecten door direct fysiek contact. | Proces van warmteoverdracht door een vloeibaar medium zoals vloeistoffen of gas. | Proces van warmteoverdracht door elektromagnetische golven. |
| Methode | Warmte wordt overgedragen als gevolg van moleculaire botsingen wanneer vaste stoffen met elkaar in contact komen. | Warmte wordt overgedragen door de stroming van de vloeistoffen. | Warmte wordt overgedragen door de straling die wordt uitgezonden door lichamen zonder dat er een medium nodig is. |
| Oorzaak | Warmte die van een gebied met een hoge temperatuur naar een gebied met een lage temperatuur gaat. | Warmte die van een gebied met een lage dichtheid naar een gebied met een hoge dichtheid gaat. | Energie die wordt uitgestraald door lichamen door de roterende en vibrerende bewegingen van atomen en moleculen. |
| Medium | Verwarmde vaste stoffen. | Interveniërende stof zoals vloeistoffen. | Elektromagnetische golven. |
Wat is conductie?
Het proces van warmteoverdracht door direct contact tussen twee objecten wordt geleiding genoemd.
Wanneer de moleculen van één object warmte-energie opnemen, gaan ze snel bewegen en komen daarbij in contact met naburige objecten en er vindt een energieoverdracht plaats.
Om geleiding te laten plaatsvinden, moeten enkele factoren in gedachten worden gehouden.
De eerste is de temperatuurgradiënt die de beschrijving is van de richting waarin de warmte stroomt en de overdrachtssnelheid. Het proces van geleiding van een hete bron naar een koude bron (of een bron zonder warmte-energie) gaat door totdat beide lichamen een staat van thermisch evenwicht bereiken.
Een andere belangrijke factor is de grootte van de betrokken objecten. Grotere objecten hebben meer warmte nodig om opgewarmd te worden, maar verliezen tegelijkertijd sneller warmte. Dit komt omdat hoe groter hun oppervlakte is, hoe meer ze in contact komen met de open lucht. Er moet ook rekening worden gehouden met de fysieke eigenschappen van de objecten.
Als je tijdens het koken een houten lepel gebruikt, zul je merken dat de lepel niet heet wordt. Dit komt omdat hout een slechte geleider is.
Als u echter een metalen lepel zou gebruiken, zal de warmte er zeer snel op worden overgedragen omdat het metaal een goede geleider is. Slechte geleiders worden ook wel isolatoren genoemd. Ze voorkomen dat energie wegstroomt van de bron.
IJsberen kunnen bijvoorbeeld overleven in arctische gebieden omdat hun vacht dient als een isolator die warmte vasthoudt in het lichaam.
Wat is convectie?
Wanneer de massabeweging van een vloeistof als gevolg van de verwarmde vloeistof die zich van de bronwarmte verwijdert, optreedt, draagt het energie met zich mee. Dit is ook een vorm van warmteoverdracht en wordt convectie genoemd.
Dit proces vindt plaats omdat warmte de dichtheid van vloeistoffen zoals lucht en water vermindert. Het verlies van dichtheid zorgt ervoor dat de vloeistof stijgt, waardoor convectiestromen ontstaan die energie kunnen overbrengen.
Naarmate de verwarmde lagen van de vloeistof stijgen, dalen de koudere lagen die nog steeds hun dichtheid behouden naar de warmtebron totdat ze worden verwarmd en beginnen te stijgen.
Er zijn twee soorten convectie: spontaan en geforceerd. In het eerste geval vindt convectie van nature plaats vanwege het drijfvermogen. Het verschil in temperatuur veroorzaakt een verschil in dichtheden.
Wanneer bijvoorbeeld de warmte van de zon de aarde opwarmt, absorbeert de zee het grootste deel van de energie, maar het kost meer tijd om warm te worden in tegenstelling tot land.
Daardoor verliest de lucht boven het land sneller aan dichtheid en ontstaat er een lagedrukgebied boven kustgebieden. Maar het gebied boven de zee heeft een hogere druk en hierdoor beweegt lucht van het hogeredrukgebied naar het lageredrukgebied, dat wil zeggen van zee naar land.
Dit is de reden waarom de wind in de buurt van de zee over het algemeen sterker is. Geforceerde convectie wordt veroorzaakt met behulp van een externe bron zoals een ventilator of een geiser. Het is gerelateerd aan de afkoelingswet van Newton, de vergelijking is als volgt:
P = dQ/dt = hA(T-T0)
Hier is P = dQ/dt de overdrachtssnelheid van warmte. De h is de convectie warmteoverdrachtscoëfficiënt. A is het oppervlak van het materiaal dat wordt blootgesteld.
T verwijst naar de temperatuur van het object in de vloeistof en T0 verwijst naar de temperatuur van de vloeistof die is gemaakt om het convectieproces te ondergaan.
Wat is straling?
In tegenstelling tot geleiding en convectie, die beide daadwerkelijk fysiek contact tussen twee lichamen vereisen, is straling de warmteoverdracht die plaatsvindt, zelfs wanneer de lichamen niet in contact komen of gescheiden zijn in de ruimte.
Alles in het universum bestaat uit atomen die samen moleculen vormen. De rotatie en vibratie van atomen en moleculen zorgen ervoor dat alle stoffen energie blijven afgeven door middel van elektromagnetische straling.
Elektronen met hoge energie op hoge atomaire niveaus dalen af naar niveaus waar de energie lager is. Alle energie die onderweg verloren gaat, wordt uitgezonden als elektromagnetische straling.
Wanneer energie wordt geabsorbeerd door een atoom, klimmen de elektronen naar hogere energieniveaus. Dus wanneer de snelheid waarmee energie wordt geabsorbeerd in evenwicht is met de snelheid waarmee het wordt uitgestoten, zal de temperatuur van de stof niet veranderen.
Als de eerste groter is dan de laatste, zal de temperatuur stijgen en als deze lager is, zal de temperatuur ook dalen.
Een bekend voorbeeld van warmteoverdracht door straling is de zon. Het komt niet in contact met een van de andere planeten en er is ook geen fysiek medium voor warmteoverdracht.
Toch kunnen we zijn warmte voelen vanwege de elektromagnetische straling die hij uitstraalt, waardoor zijn stralen de aarde kunnen bereiken.
Belangrijkste verschillen tussen geleiding, convectie en straling
Gevolgtrekking
Geleiding, convectie en straling zijn belangrijke concepten in de studie van de thermodynamica.
Simpel gezegd, warmte die van een heet object of een heet gebied naar een koud object van het gebied gaat, is geleiding.
Warmte wordt overgedragen door de beweging van vloeistofstromen is convectie en warmte overgedragen door elektromagnetische golven zonder enig medium is straling.
- https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/0142727X94000144
- https://asmedigitalcollection.asme.org/heattransfer/article-abstract/85/4/318/414710
