Forskellen mellem konvektion og ledning

Indholdsfortegnelse:

Hovedforskel - konvektion vs. konduktion
Hvad er ledelse
Hvad er konvektion
Forskellen mellem konvektion og ledning

Hovedforskel - konvektion vs. konduktion

Konvektion og ledning er begge mekanismer til varmeoverførsel. Det hovedforskel mellem konvektion og ledning er det, dvs.n konvektion, varme overføres gennem en massestrøm af materiale mens, i ledning, varme overføres ved kollisioner af partikler der udgør materialet.

Hvad er ledelse

Partikler, der udgør stof, er altid i bevægelse. Når temperaturen stiger, har partiklerne større kinetiske energier, og derfor vibrerer de med større amplituder. Under ledning banker en vibrerende partikel på en nabopartikel, der tilfører energi til denne partikel. Denne partikel vibrerer nu med en større amplitude, og den kan kollidere med et andet nærliggende atom og give den energi. Denne energioverførselsproces kan fortsætte fra den ene ende af et objekt til den anden ende. Da en stigning i kinetisk energi af partikler fysisk manifesterer sig som en stigning i temperaturen, ledsages den gradvise stigning i kinetiske energier af partikler langs objektet af en gradvis stigning i temperaturen langs objektet. Denne proces, hvorved varme overføres som følge af kolliderende partikler kaldes ledning.

Et materiales evne til at overføre varme via ledning er kendetegnet ved dets ledningsevne. Varmeoverførselshastigheden,

eller varmestrømmen, mellem to objekter med en temperaturforskel på

er givet af

hvor

er henholdsvis tværsnittet og længden af lederen, der overfører varme. Brevet

er varmeledningsevne, målt i enheder af W m^-1 K^-1.

Som det ses af ligningen, er varmeoverførselshastigheden direkte proportional med temperaturforskellen og lederens tværsnitsareal og omvendt proportional med lederens længde. Værdien af varmeledningsevne afhænger af materialets mikroskopiske egenskaber. Metaller er gode varmeledere, fordi de indeholder et stort antal frie elektroner, der frit kan kollidere for at overføre energi. I mellemtiden kolliderer og overfører varme de ioner, der danner gitteret omkring faste positioner. De frie elektroner er imidlertid ansvarlige for det meste af varmeoverførslen i metaller.

Hvad er konvektion

Konvektion er mekanismen for varmeoverførsel i materialer gennem en massestrøm af materialet. Her, for at overføre varme, bevæger dele af selve materialet sig - dvs. der er en masseoverførsel inden i materialet. Typisk forekommer konvektion i væsker. Imidlertid kan konvektionseffekter undertiden ses i faste stoffer, som i tilfælde af pladetektonik. Diagrammet herunder viser de hvirvlende konvektionsmønstre dannet af damp, der stiger op af en kop kaffe:

Konvektionsstrømme begynder at dannes i damp, der stiger fra en kop varm væske

Konvektion er en kompleks proces, og der er ingen simpel ligning, der fuldt ud beskriver den. Vi kan dog benytte en tilnærmelse til tilfælde, hvor en væske opvarmes ved hjælp af en fast overflade. I disse tilfælde varmeoverførselshastigheden

er givet af,

hvor

er overfladearealet, som varme overføres gennem,

er temperaturen på det faste stof,

er luftens temperatur.

er kendt som konvektiv varmeoverførselskoefficient. Denne koefficient afhænger af en række egenskaber, herunder densiteten, viskositeten og væskens strømningshastighed. Enheden for konvektiv varmeoverførselskoefficient er W m^-2 K^-1.

Bemærk, at de væsker, der overfører varme via konvektion, også overfører varme via ledning. Hvis ledningen er meget effektiv, kan den forhindre dannelse af konvektionsstrømme og hindre den konvektive varmeoverførsel. Om den dominerende varmeoverførselsmekanisme er ledning eller konvektion for en væske, kan findes ved at beregne et tal kendt som Rayleigh nummer.

Diagrammet herunder illustrerer tilfælde, hvor hver af de tre typer varmeoverførselsmekanismer er dominerende.