De warmte stroom is de snelheid waarmee warmte wordt overgedragen in de tijd. Omdat het een snelheid van warmte-energie is in de tijd, de SI-eenheid van warmtestroom is joule per secondeof watt (W).
Warmte stroomt door materiële objecten door de geleiding, waarbij verwarmde deeltjes hun energie geven aan naburige deeltjes. Wetenschappers bestudeerden de warmtestroom door materialen lang voordat ze zelfs maar wisten dat de materialen uit atomen waren samengesteld, en warmtestroom is een van de concepten die hierbij behulpzaam was. Zelfs vandaag, hoewel we het begrijpen warmteoverdracht verband houden met de beweging van individuele atomen, in de meeste situaties is het onpraktisch en onbehulpzaam om te proberen aan de situatie te denken op die manier, en een stap terug doen om het object op grotere schaal te behandelen, is de meest geschikte manier om de beweging van te bestuderen of te voorspellen warmte.
Wiskunde van warmtestroom
Omdat warmtestroom de stroom van vertegenwoordigt Warmte energie
na verloop van tijd kun je het beschouwen als een kleine hoeveelheid warmte-energie, dQ (Q is de variabele die gewoonlijk wordt gebruikt om warmte-energie weer te geven), verzonden over een kleine hoeveelheid tijd, dt. De variabele gebruiken H om de warmtestroom weer te geven, geeft dit je de vergelijking:H = dQ / dt
Als je pre-calculus hebt genomen of calculus, realiseer je je misschien dat zo'n veranderingssnelheid een goed voorbeeld is van wanneer je een limiet zou willen nemen als de tijd de nul nadert. Experimenteel kunt u dat doen door de warmteverandering met steeds kleinere tijdsintervallen te meten.
Experimenten die zijn uitgevoerd om de warmtestroom te bepalen, hebben de volgende wiskundige relatie geïdentificeerd:
H = dQ / dt = kA (TH - TC) / L
Dat lijkt misschien een intimiderende reeks variabelen, dus laten we die opsplitsen (waarvan sommige al zijn uitgelegd):
- H: warmtestroom
- dQ: kleine hoeveelheid warmte die in een bepaalde tijd wordt overgedragen dt
- dt: korte tijd waarover dQ werd overgedragen
- k: thermische geleidbaarheid van het materiaal
- EEN: doorsnedeoppervlak van het object
- TH - TC: het temperatuurverschil tussen de warmste en koelste temperaturen in het materiaal
- L: de lengte waarover de warmte wordt overgedragen
Er is één element van de vergelijking dat onafhankelijk moet worden beschouwd:
(TH - TC) / L
Dit is het temperatuurverschil per lengte-eenheid, bekend als de temperatuurgradiënt.
Thermische weerstand
In engineering gebruiken ze vaak het concept van thermische weerstand, R, om te beschrijven hoe goed een thermische isolator verhindert dat warmte over het materiaal wordt overgedragen. Voor een plaat materiaal met een dikte Lis de relatie voor een bepaald materiaal R = L / k, resulterend in deze relatie:
H = EEN(TH - TC) / R