A hőátadás fajtái

Miután a hő és a hőmérséklet változásával kapcsolatos legalapvetőbb jelenségeket meg-említettük, a hőátadásmódjainak is érdemes pár bekezdést szentelnünk. A hőenergia alapvetően három módon kerülhet át az egyik pontból a másikba:áramlással(ekkor a meleg és a hideg közeg „helyet cserél”, összekeveredik),hővezetéssel(ekkor a hőt „hor-dozó” molekulák vagy atomok adják át egymásnak az energiát anélkül, hogy a közeg makroszkopikusan elmozdulna), illetvehősugárzással(ekkor a molekulák hőmozgásuk

során elektromágneses sugárzást hoznak létre, ami akár vákuumban is terjed, energiát hordozva).

Gázokban és folyadékokban általában az áramlás a hőcsere fő oka: ezért hűl ki gyorsabban egy tea mint egy sűrű krémleves, ez utóbbiban ugyanis lényegesen gyen-gébb áramlás tud megvalósulni (nagyobb viszkozitása okán). A hőáramlás magyarázza a szelek és tengeráramlatok kialakulását, de ennek segítségével melegíti fel a szobát a fűtőtest is, ezért száll fel a füst a kéményben, és ez segít a folyadékok és gázok erőművek-ben történő áramlásában. A legnagyobb hőátadás turbulencia kialakulása során valósul meg, ekkor jön létre ugyanis az optimális keveredés. Általában a hőáramlás hajtóereje az, hogy a melegebb közeg ritkább, így felfelé száll; vagy a nyomása nagyobb, így a hidegebb pont felé törekszik.

Ahogy fent említettük, hővezetés során a gyorsabban rezgő molekulák/atomok átad-ják a lassabbaknak az energiájuk egy részét, azaz a mozgási energia, másképp kifejezve a hő terjed a rendszerben, valódi (makroszkopikus) közegmozgás nélkül. Szilárd testek-ben ez a hőátadás fő módja. A ∆t idő alattdvastagságú, A keresztmetszetű felületen átadott hő mennyisége

∆Q

∆t =λ∆T A

d , (4.8)

ha a két oldalán ∆Ta hőmérséklet-különbség. Itt aλegyüttható neve: hővezetési együtt-ható, mértékegysége W/Km. Ebben kifejezve néhány tipikus értéke: rézre 400, üvegre 1, levegőre 0,024, ház falára 1 alatti (jó esetben). A levegő azért rossz hővezető (avagy jó hőszigetelő), mert nagy távolságon vannak benne a molekulák, így kevésbé tudnak egymásnak ütközések által hőt átadni. A habok, üreges anyagok is ezért szigetelnek jól, és ezért két- vagy többrétegűek a jobb ablakok is (ráadásul többnyire a két réteg közé a normálállapotú levegőnél is rosszabb hővezetésű gázt tesznek). A jeges hűtő is ezért hűt rosszul: a jég ugyanis igen rossz hővezető.

Házak és lakások energiaháztartásának vizsgálata során a vastagságot és a hővezetési együtthatót szokás egyetlenU =λ/d-vel jelölt hőátbocsátási tényezővel megadni, ezzel

∆Q

∆t =U A∆T. (4.9)

Ekkor U mértékegysége W/m²K, és azt adja meg, hogy egy négyzetméter felületen egy fok hőmérséklet-különbség esetén mennyi energia távozik időegységenként. Ez kör-nyezetfizikai szempontból igen fontos, hiszen az így távozó hőenergiát kell valamilyen fűtési rendszerrel pótolni, azaz a hőátbocsátási tényező minimalizálása az adott lakás vagy ház energiaigényét igen jelentősen tudja csökkenteni. A tényező értéke jó hőszige-telő (többrétegű) ablakokra 0,5-1,0 W/m²K körül van. Ez konkrétan azt jelenti, hogy ha az ablak 1 négyzetméteres, és bent 20 fokkal melegebb van, mint kint, akkor 10-20 Watt hőteljesítményre van szükség, hogy az ablakon át kiáramló hőt pótoljuk.

A hősugárzás jelenségét később fogjuk megérteni, de a lényeg, hogy az atomok és molekulák rezgése elektromágneses teret hoz létre, amely energiát sugároz ki, akár vá-kuumba is – és ennek során a kibocsátó anyag molekuláinak rezgése csökken, az anyagot hűtve. Adott hőmérséklet mellett különböző hullámhosszú sugárzáskomponensek is van-nak, ezek összessége a később a kvantumfizika által megmagyarázott Planck-spektrum, amely a 4.3. ábrán látható.

hullámhossz

intenzitás

4.3. ábra. Különböző hőmérsékleteknek megfelelő hőmérsékleti sugárzások spektruma. Minél nagyobb a hőmérséklet, a spektrum annál inkább eltolódik a kék szín felé, míg alacsonyabb hő-mérsékleten a piros komponensek dominálnak. A nagyjából egyenletes, „fehér” szín körülbelül 3-4000 K körül alakul ki.

Néhány száz kelvin esetén még nem látható a hősugárzás, de ezer kelvin hőmérséklet környékén láthatóvá válik: ez a vörösen izzás jelensége. Ahogy növeljük a hőmérsékletet, a spektrum maximuma egyre kisebb hullámhosszak felé tolódik, azaz a szín egyre több kéket és egyre kevesebb vöröset tartalmaz. 6000 K körül épp nagyjából egyenletesen tartalmaz minden színt a spektrum, így ez fehérnek tűnik, felette pedig egyre kékebbnek.

A Nap felszíni hőmérséklete alapján éppen fehér sugárzást bocsát ki – pontosabban nyilván a szemünk a Nap színe alapján „kalibrálja” a színeket, azt nagyjából fehérre hangolva. Érdekes megemlíteni, hogy az Univerzumban minden irányból körülbelül 2,7 K hőmérsékletű sugárzás észlelhető, ez a kozmikus mikrohullámú háttérsugárzás.

A hősugárzás intenzitását az úgynevezett Stefan–Boltzmann-törvény adja meg. Esze-rint egyAfelületű,Thőmérsékletű tárgy általδtidő alatt kisugárzott hőenergia mennyi-sége

∆Q

∆t =σAT⁴. (4.10)

Figyeljünk arra, hogy aT az abszolút (kelvinben mért) hőmérsékletet jelenti! A képlet-ben aσegyüttható neve: Stefan–Boltzmann-állandó, értékeσ= 5,67·10⁻⁸J/(sm²K⁴);

ez univerzális természeti konstans.⁵ A képletben szereplő másik arányossági tényező, pedig egyfajta kisugárzási együttható, ami függ az anyag (felület) fajtájától. Értéke 0 és 1 között van. Kiderül, hogy azok a testek, amelyek az összes „lehetséges” energiát kisugározzák (azaz, amikre= 1), azok egyúttal minden rájuk eső (hő)sugárzást el is nyelnek. Az tehát nemcsak kibocsátási, hanem elnyelési együttható: tökéletesen „fe-kete” testek (amelyek minden rájuk eső sugárzást elnyelnek) esetében= 1, ezek tehát ki is sugározzák a lehető legtöbb hőt. Ha a test nem mindent nyel el, hanem vissza is

5Aσ univerzális állandó, de nem független a többi fizikai állandótól: belátható, hogyσ értékét ki lehet számolni a~ Planck-állandóból, acfénysebességből és a nemsokára bevezetettkB Boltzmann-állandóból:σ= ^π

2k⁴_B 60~³c².

hővezetés hőáramlás hősugárzás

4.4. ábra. A hőcsere három fajtája: hővezetés (balra), áramlás (középen), sugárzás (jobbra).

Hővezetés során a molekulák vagy atomok egymásnak adják át mozgási energiájukat. Áramlás esetén a nagyobb és kisebb mozgási energiájú molekulák vagy atomok térben keverednek, míg a sugárzás esetén elektromágneses hullámok közvetítik az energiát.

ver sugárzást (tükör módjára), akkor arra a testre <1, azaz melegítve kevesebb hőt is sugároz ki, mint az= 1 értékkel jellemzett fekete test.

A hőcsere három fajtáját a 4.4. ábra illusztrálja.