Transferul de căldură

 (Intensitatea radiației termice cu lungimi mari de undă a pământului, de la nori, atmosferă și suprafață.)

Transferul de căldură este o disciplină a ingineriei termice care se referă la generarea, utilizarea, conversia și schimbul de energie termică (căldură) între sistemele fizice. Transferul de căldură este clasificat în diferite mecanisme, cum ar fi conducția termică, convecția termică, radiația termică și transferul de energie prin schimbări de fază. Inginerii consideră, de asemenea, transferul masei de specii chimice diferite, reci sau calde, pentru a realiza transferul de căldură. În timp ce aceste mecanisme au caracteristici distincte, acestea apar adesea simultan în același sistem.

Conducția de căldură, denumită și difuzie, este schimbul direct microscopic al energiei cinetice a particulelor la limita dintre două sisteme. Atunci când un obiect se află la o temperatură diferită de alt corp sau de vecinătățile sale, căldura curge astfel încât corpul și vecinătățile ajung la aceeași temperatură, moment în care se află în echilibru termic. Un astfel de transfer de căldură spontan apare întotdeauna dintr-o regiune de temperatură ridicată spre o altă regiune cu temperatură mai scăzută, așa cum este descris de a doua lege a termodinamicii.

Convecția de căldură are loc atunci când fluxul în masă al unui fluid (gaz sau lichid) transportă căldură împreună cu fluxul de materie din fluid. Debitul fluidului poate fi forțat prin procese externe sau uneori (în câmpuri gravitaționale) prin forțe de flotabilitate cauzate atunci când energia termică extinde fluidul (de exemplu în cazul vîlvătăilor la un incendiu), influențând astfel transferul propriu. Ultimul proces este deseori numit „convecție naturală”. Toate procesele convective transferă, de asemenea, căldura parțial prin difuzie. O altă formă de convecție este convecția forțată. În acest caz, fluidul este forțat să curgă prin utilizarea unei pompe, a unui ventilator sau a altor mijloace mecanice.

Radiația termică are loc în vid sau prin orice mediu transparent (solid sau fluid). Este transferul de energie prin intermediul fotonilor în unde electromagnetice guvernate de aceleași legi.

Căldura este definită ca transferul energiei termice printr-o limită bine definită în jurul unui sistem termodinamic. Energia liberă termodinamică este cantitatea de lucru mecanic pe care o poate efectua un sistem termodinamic. Entalpia este un potențial termodinamic, desemnat prin litera „H”, adică suma energiei interne a sistemului (U) plus produsul presiunii (P) și volumului (V). Joule este o unitate pentru cuantificarea energiei, a lucrului mecanic sau a cantității de căldură.

Transferul de căldură este o funcție de proces (sau o funcție de cale), spre deosebire de funcțiile de stare; prin urmare, cantitatea de căldură transferată într-un proces termodinamic care modifică starea unui sistem depinde de modul în care are loc acest proces, nu numai dediferența netă între starea inițială și cea finală a procesului.

Transferul de căldură termodinamic și mecanic se calculează cu coeficientul de transfer de căldură, proporționalitatea dintre fluxul de căldură și forța motrice termodinamică pentru fluxul de căldură. Fluxul de căldură este o reprezentare cantitativă, vectorică a fluxului de căldură printr-o suprafață.

În context ingineresc, termenul căldură este considerat sinonim cu energia termică. Această utilizare are originea în interpretarea istorică a căldurii ca fluid (caloric) care poate fi transferat de diverse cauze și care este, de asemenea, obișnuit în limba nesepecialiștilor și a vieții de zi cu zi.

Ecuațiile de transport pentru energia termică (legea lui Fourier), impulsul mecanic (legea lui Newton pentru fluide) și transferul de masă (legile difuziei lui Fick) sunt similare, iar analogiile dintre aceste trei procese de transport au fost dezvoltate pentru a facilita prezicerea conversiei din oricare către celelalte.

Ingineria termică se referă la generarea, utilizarea, conversia și schimbul de transfer de căldură. Ca atare, transferul de căldură este implicat în aproape toate sectoarele economiei.