Inspectie termografica
-
Upload
silviu-ciobotaru -
Category
Documents
-
view
72 -
download
8
description
Transcript of Inspectie termografica
TERMOGRAFIA
IN INFRAROSUTipuri de transfer de caldura
conductia, convectia si radiatia
Prof. Alexandrina Mihai
Curs 5
Remember
Căldură – formă de mişcare a materiei, care constă în agitaţia
termică a atomilor fluidelor sau în vibraţia dezordonată a atomilor
unui solid şi care produce ridicarea temperaturii; se exprimă printr-o
mărime scalară de aceeaşi natură cu energia mecanică, cu energia
electromagnetică etc., numită cantitate de căldură, energie termică
sau energie calorică.
Temperatură (a unui corp) – o mărime caracteristică a nivelului
energetic al acelui corp. Nivelul energetic este dat de agitaţia
atomică sau moleculară a corpului. O semnificaţie intuitivă a acestei
noţiuni este dată de senzaţia de cald şi de rece.
Curs 5 Intrebari si raspunsuri din curs 4
Intrebari:
1. Ce efecte are incalzirea sau racirea unei substante?
2. Ce se intelege prin “caldura latenta” ?
3. Care sunt transformarile de faza de speta I?
4. Ce se intelege prin punct triplu al unei substante?
5. Care capacitate termica e mai mare a apei sau a pamantului?
6. Care sunt transformarile de faza de speta I asociate cu cedare de cadura?
7. Care sunt transformarile de faza de speta I asociate cu absorbtie de caldura?
8. Care este relatia care descrie alungirea (dilatarea) prin incalzire?
9. Care este relatia care descrie variatia rezistentei electrice in functie de incalzire?
10.Cum variaza viteza de oxidare in functie de caldura?
11.Ce se intelege prin efectul Joule? Care este relatia de calcul a caldurii?
12.Ce este incandescenta?
13.Ce se intelege prin efect Seebeck?
14.Ce aplicatii uzuale are efectul Seebeck?
15.Ce se intelege prin efect Peltier?
16.Ce aplicatii uzuale are efectul Peltier?
17.Ce se intelege prin efect Thomson?
Curs 5 Intrebari si raspunsuri din cursul 4
1. Incalzirea sau racirea unei substantei determina: variatii de temperatura, variatii de marime, variatii de rezistenta
electrica, variatii de viteza de oxidare sau alte reactii, variatii forta electromotoare / tensiune, incandescenta, variatii
de presiune si/sau volum.
2. Căldura latentă este o expresie care se referă la cantitatea de energie eliberată sau absorbită de către o substanță
chimică în timpul unei transformări de fază fără schimbare de temperatură, cum ar fi topirea zăpezii, fierberea apei.
3. Trecerea dintr-o stare de agregare în alta este o transformare de faza de speta I,
4. Punctul triplu al unei substanțe este în termodinamică un punct determinat prin o anumită temperatura și o anumită
presiune, la care trei din fazele de materie ale respectivei substanțe (de exemplu, fazele solida, lichida si gazoasa) pot
coexista liber și simultan, aflate la echilibtru termodinamic.
5. Apa are capacitate termica ridicata. Capacitatea termica a pamantului este mult mai mica decat cea a apei.
6. Desublimare,condensare, solidificare.
7. Sublimare, vaporizare, topire.
8. L = L0 (1 + α T), L0 este lungimea initiala a unei bare supuse unei incalziri, caracterizate de o diferenta de
temperatura, , α – coeficient de dilatare pe grad K.
9. Relatia care descrie acest fenomen este: R = R0. (1 + αe.T), R0 este rezistenta electrica initiala, αe – este
coeficientul de crestere a rezistentei electrice si are aceea unitate de masura ca si coeficientul de dilatare liniara, [1/K].
10. Viteza de oxidare creste odata cu incalzirea.
11. Efectul termic (denumit și efect Joule-Lenz) este reprezentat de disiparea căldurii într-un conductor traversat de un
curent electric. Q = R . I2 . T, unde: Q este caldura degajata, I este intensitatea curentului electric, R este rezistenta
electrica, t este timpul.
12. Incandescenta - Stare a unui corp care, datorită temperaturii ridicate, emite lumină (şi radiaţii infraroşii) .
13. Efectul Seebeck este conversia directa a diferentei de temperatura in electricitate.
14. Principalele aplicatii ale efectului Seebeck este constructia termocuplurilor – instr. de masurat temperatura.
15. Efectul Peltier consta in degajarea sau absorbtia de caldura la jonctiunea dintre doi conductori diferiti, cand prin
aceasta circula un curent electric.
16. Principalele aplicatii ale ef. Peltier sunt in domeniu racirii – mini frigidere sau senzori termici.
17. Efectul Thomson - dacă un conductor este parcurs de curent electric, iar capetele lui au temperaturi diferite, atunci în
conductor, pe lângă căldura Joule care întotdeauna încălzeşte conductorul, se degajă sau se absoarbe (în functie de
material).
Transferul de căldură - fenomen complex, reprezentat de
schimbul de energie termică între: două corpuri solide, două
regiuni ale aceluiaşi corp, două fluide, ca rezultat al existenţei
unei diferenţe de temperatură (potenţial termic) între
acestea.
Existenţa unui potenţial termic determină transferul
spontan de energie de la corpul cu temperatura mai
ridicată la corpul cu temperatura mai scăzută.
Transferul căldurii se face în trei feluri:
conducţie, convecţie şi radiaţie.
La nivel microscopic, energia termică (căldura) înseamnă
energia cinetică a particulelor unui material.
Cu cât este mai mare agitaţia termică (vibraţia şi mişcarea
liniară a particulelor), cu atât este mai ridicată temperatura.
Curs 5 Transfer de caldura – aspecte generale (1)
Conducţie
Convecţie
Radiaţie
Curs 5 Transfer de caldura – aspecte generale (1)
O plită încinsă emite
radiaţii electromagnetice?
Propriul corp, este un
emiţător de raditii in
domeniul infraroşu.
Imagini preluate de pe Internet
Corpul uman emite, radiatie
termica, unde electromagnetice
cu lungimea de undă de
aproximativ 10 micrometri.
Ceea ce vedem este rezultatul transformării aparatului din
imaginea in infraroşu într-o imagine vizibila, in banda spectrala
denumita lumină (înţelegând prin lumină radiaţie electromag-
netică din spectrul vizibil).
Curs 5 Transfer de caldura – aspecte generale (2)
Asocierea unui domeniu de
temperaturi cu o culoare este
o conventie concretizata
intr-o paleta de culori.
De ce figura unui copil apare
cu un camp termic diferit?
Temperaturile la suprafata
sunt diferite si emisivitatea
este diferita
O fotografie a unui copil realizată de NASA, în infraroşu,
Cantitativ, transferul de căldură decurge conform principiului
conservării energiei, principiu exprimabil pentru sistemele izolate
prin următoarea ecuaţie generală de bilanţ termic: Q cedat = Q primit
Intr-un sistem izolat, în regim staţionar, cantitatea de căldură cedată de
corpul cu temperatura mai ridicată este egală cu cantitatea de căldură
primită de corpul cu temperatura mai scăzută. (Valabil în cazul absenţei
din sistem a unor surse de căldură: reacţii chimice sau nucleare.)
În cazul sistemelor neizolate, ecuaţia de mai sus capătă forma:
Q cedat = Q primit + Q pierderi
Qpierderi = cantitatea de căldură schimbată cu mediul înconjurător
Curs 5 Transfer de caldura – aspecte generale (3)
Remember:
Principiul întâi al termodinamicii În
cazul în care energiile transferate sunt
energia internă şi cea mecanică, ecuaţia
ƩdEi =0 devine: dQ=dU+dL, “căldura
schimbată de sistem cu mediul exterior
este dată de suma variaţiei energiei
interne şi a lucrului mecanic efectuat în
interacţiunea dintre sistem şi mediu”
Zonele rosii si
galbene din
imagine indica
zonele prin care
se pierde caldura.
Zone problema:
ferestrele si
peretii de beton
insuficient izolati.
Conducţia este transferul căldurii dintre două
materiale care intră în contact unul cu celălalt. Energia cinetică moleculară a unui material (sau zona dintr-
un material) se transferă unui alt material (sau altei zone din
acesta) cu energie cinetică mai mică prin intermediul
coliziunilor particulelor constituente.
Conductia este cel mai important tip de transfer
de caldura prin materiale solide.
Mânerul ibricului cu care facem ceaiul de dimineaţă,
dacă nu este făcut dintr-un material cu indice scăzut de
conductibilitat termică ori nu este izolat termic, se va
încălzi repede şi vom avea nevoie de un prosop pentru
a ridica ibricul de pe aragaz.
Unele substanţe sunt bune conducătoare de
căldură, ca de exemplu: argintul, oţelul, fierul,
cuprul, pe când altele sunt bune izolatoare, ca
lemnul, hârtia ori aerul.
Transfer de caldura (1) Conductia (1)
Dacă într-un punct dat al unui material este depozitată o anumită
cantitate de energie (de exemplu, prin impactul unui impuls laser),
atunci, un anumit număr de particule vor începe să preia mai multe
mişcări, să se agite mai intens, ceea ce conduce la o creştere a
temperaturii locale.
Treptat, surplusul local de agitaţie va difuza în întregul material şi
temperatura va tinde să se omogenizeze la o valoare superioară
celei ce exista înainte de impactul razei laserului.
Acest fenomen se numeşte conducţie.
Teoriile moderne privind conducţia termică introduc conceptul de fonon,
analog celui de foton în teoria radiaţiei electromagnetice, cele două
noţiuni fiind definite astfel:
• foton, particulă elementară a radiaţiei electromagnetice care
posedă energie şi impuls şi nu poate exista în stare de repaus;
• fonon, particulă fictivă asociată vibraţiilor care se propagă prin
masa unui corp cristalin, frecvenţa fiind comparabilă cu cea a
sunetelor.
Transfer de caldura (1) Conductia (2)
Condiţiile generale de desfăşurare a proceselor de conducţie termică
se referă la stabilirea următoarelor elemente:
• materialul este omogen sau eterogen;
• materialul este izotrop sau anizotrop;
• materialul conţine sau nu surse interioare de căldură cu o distribuţie dată;
• regimul termic este constant sau tranzitoriu;
• propagarea căldurii are loc uni, bi sau tri-direcţional.
Transfer de caldura (1) Conductia (3)
Exemple:
- din punct de vedere al omogenitatii, care material poate fi considerat
omogen si care neomogen: structura sandvis, bara din cupru, peretele unei
case, usa confectionata din fagure?
- izotrop sau anizotrop: sticla, compozit cu fibre, lemn, bara din otel forjat?
- cu surse interioare de caldura sau fara: un bloc de locuinte, corpul unei
fiinte vii, cuptor electric, cuptor cu microunde, un autoturism, un frigider?
- regim termic constant sau tranzitoriu: caloriferul, o cana cu cafea fierbinte,
corpul uman, fierul de calcat in priza si scos din priza?
- propagarea caldurii este uni, bi sau tri-directionala: printr-un cablu electric,
placa metalica, caramida?
În cazul corpurilor solide nemetalice (dielectrice) conducţia
termică are loc prin vibraţia termică a reţelei cristaline,
considerată ca o suprapunere de unde acustice elastice.
Astfel, între două feţe cu temperaturi diferite ale aceluiaşi cristal,
energia termică este transferată, de la faţa caldă spre cea rece,
în mod similar propagării energiei electromagnetice în spaţiu,
prin intermediul fotonilor.
La corpurile solide metalice şi semiconductoare, conducţia se
desfăşoară prin două procese diferite:
• transfer de energie cu ajutorul fononilor, prin oscilaţii ale
reţelei cristaline;
• transfer de energie prin intermediul electronilor liberi (de
valenţă), care pot fi consideraţi ca un gaz monoatomic
perfect.
Ponderea cu care intervin electronii de valenţă în conducţia
termică este de 10…30 ori mai mare decât cea a fononilor.
Transfer de caldura (1) Conductia (4)
În cazul corpurilor lichide şi gazoase, conducţia se realizează,
de asemenea, prin două procese:
• ciocniri elastice din aproape în aproape între molecule sau
atomi, poziţia reciprocă a acestora în spaţiu rămânând
aceeaşi;
• deplasări ale electronilor liberi.
Transferul de căldură prin conducţie este specific
corpurilor solide.
În mediile nesolide (lichide şi gaze) conducţia intervine cu o
anumită pondere, dar predomină un alt mecanism de
transfer termic: convecţia.
Transfer de caldura (1) Conductia (5)
Gradientul de temperatură exprimă variaţia de temperatură într-
un punct din spaţiu, la un moment dat. Gradientul de temperatură
reprezintă un vector normal la suprafaţa izotermă, egal numeric
cu derivata temperaturii în raport cu normala la suprafaţă:
grad T = [K/m]n
T
n
T
n
0lim
Transfer de caldura (1) Conductia (6)
Propagarea prin conductie a caldurii
printr-o suprafata elementara de aria
dA, între doua suprafete izoterme,
dupa directia versorului normalei la
Izoterma, n . Se observa ca vectorul
q are sens contrar cu versorul n si
grad q iar propagarea caldurii are loc
de la suprafata cu temperatura mai
mare (T + dT) la suprafata cu
temperatura mai mica (T). Marimile ce caracterizeaza transferul de
caldura între doua suprafete izoterme.
grad T
T + dT
T Tq
Fluxul de căldură (termic), Φ, reprezintă cantitatea de căldură
care trece printr-un mediu sau de la un corp la altul, printr-o
anumită suprafaţă, în unitatea de timp:
[J/s = W ]
unde: Q - cantitatea de căldură transferată, J;
- intervalul de timp de transfer al căldurii, în s.
Densitatea fluxului termic (fluxul unitar de căldură) reprezintă
fluxul de căldură raportat la suprafaţa de schimb de căldură:
[W/m2]
în care: A este aria suprafeţei de schimb de căldură, în m2.
τ
A
Q
Aq
Transfer de caldura (1) Conductia (7)
τ
Q
Conductivitatea termică , [W/m.K] a unui material
reprezintă cantitatea de căldură transferată prin conducţie în
unitatea de timp, prin unitatea de suprafaţă, la un gradient
termic de 1 K/m.
Materialul , W/(m.K)
Gaze la pres. atmosferică
Materiale izolante
Lichide nemetalice
Materiale de construcţii
Metale lichide
Aliaje
Metale pure
0,006…0,22
0,02…0,2
0,04…0,55
0,03…3
8…140
14…300
7…500
Materialele cu o
conductivitate termică
ridicată se numesc
conductoare, iar cele
cu o conductivitate
termică scăzută se
numesc izolante.
Intre cele două limite
există o gamă
întreagă de situaţii
intermediare.
Transfer de caldura (1) Conductia (8)
In legătură cu conductivitatea termică se pot face următoarele
precizări:
• conductivitatea termică a materialelor metalice sau
nemetalice cristaline este mai mare decât cea a
materialelor amorfe (în materialul amorf undele
termoacustice sunt puternic atenuate);
• metalele pure au conductivitatea termică mai mare decât
aliajele; prin urmare, prezenţa elementelor de aliere sau a
impurităţilor are ca efect scăderea drastică a conductivităţii;
• conductivitatea termică a metalelor este mai mare decât
cea a nemetalelor, datorită contribuţiei electronilor liberi la
schimbul de căldură;
• pentru acelaşi material, conductivitatea termică este mai
mare în stare solidă decât în lichidă.
Transfer de caldura (1) Conductia (9)
Difuzivitatea termică, a = /.c [m2/s] a unui material este
raportul dintre conductivitatea termica si caldura specifica
volumetrica
Materialul a, [m2/s]
Aer
Aluminiu
Otel
Sticla
Lemn
Apa
Cupru
Ciment
PVC
200 x10-7
1000 x10-7
40 x10-7
4,3 x10-7
21,5 x10-7
1,4 x10-7
1115 x10-7
6,5 x10-7
0,8 x10-7
Difuzivitatea termică a reprezintă o
proprietate fizică a materialelor.
Mărimea a apare în procesele termice
tranzitorii şi caracterizează variaţia în timp
a temperaturii.
Difuzivitatea termică este o măsură
a inerţiei termice a unui corp.
Cu cât viteza de variaţie a temperaturii unui
corp este mai mare cu atât difuzivitatea sa
termică este mai ridicată, respectiv inerţia
termică mai coborâtă.
Transfer de caldura (1) Conductia (10)
Lichidele şi gazele au o difuzivitate termică coborâtă şi deci o
inerţie termică ridicată, în timp ce metalele posedă o difuzivitate
termică mare, respectiv o inerţie termică redusă.
Legea lui Fourier, reprezintă ecuaţia de bază a conducţiei
termice unidirecţionale printr-un material cu conductivitatea
termică λ. Pe baza legii lui Fourier se pot stabili ecuaţiile
diferenţiale ale conducţiei termice.
Transferul de căldură prin conducţie are la bază relaţia stabilită
de Fourier în 1822, denumita legea lui Fourier care exprimă
faptul că fluxul de căldură printr-un material, în cazul unui
transfer de căldură unidirecţional, are forma:
în care: este fluxul de căldură transferat prin conducţie, în W;
q - fluxul termic unitar, în W/m2; - conductivitatea termică a
materialului, în W/(m.K); A - aria suprafeţei izoterme de transfer
termic, perpendiculara pe direcţia de propagare a căldurii, m2;
dT/dx - gradientul termic, în K/m.
x
TA
d
d. [W]; [W/m2],
x
T
Aq
d
dλ
Transfer de caldura (1) Conductia (11)
q este densitatea de flux termic [W/m2];
- grosimea peretelui [m];
- conductivitatea termica [W/m.K];
A - aria suprafeţei izoterme de transfer
termic, situată perpendicular pe direcţia
de propagare a căldurii [m2];
q
T2T(x)
Aq T1
x
grad T = (T1 -T2) /
Transfer de caldura (1) Conductia (12)
Un perete plan de grosime constantă , cu conductivitatea
termică şi aria suprafeţei laterale A, temperaturile feţelor T1 si
T2 constante. Prin integrarea ecuaţiei (după separarea
variabilelor, pentru T1 > T2) se obţine:
0
2
1
λdd
T
T
TxA
/21
TTT
Aq
Semnul minus din partea dreaptă a ecuaţiei indică faptul
că temperatura scade în direcţia de propagare a căldurii.
q
grad T = (T1 -T2) /
T2T(x)
Aq
T1
x
Transfer de caldura (1) Conductia (13)
condR
TTTq 21
δ/λ
/= Rcond este denumita rezistenta
la conductie pentru un perete plan
intr-un singur strat.
Se face in mod uzual o anologie cu sitemele
electrice, astfel: legea lui Ohm este: U = R.I
T este echivalentul tensiunii, [V]
q este echivalentul intensitatii curentului [A]
In cazul in care fluxul termic strabate mai
multe straturi atunci rezistentele se
insumeaza asemanator rezistentelor electrice.
1 2 3 4
R = Rcond1 + Rcond2 + Rcon3 + Rcond 4
Transfer de caldura (1) Conductia (14)
Exemplu de calcul
Presupunem un perete cu grosimea , = 0,2 m
Materialul din care e confectionat peretele este un izolator
cu conductivitatea termica, = 0,04 W/m.K
Suprafata peretelui , A = 10 m2
Temperatura din exterior este de 0 0C (273,15 K)
Temperatura din interior este de 20 0C (293,15 K),
adica T este 20 K
= x A x (T1 – T2)/
= 0,04 x 10 x 20)/ 0,2 = 40 W
Ceea ce inseamna ca, pentru a mentine in interior o tempera-
tura constanta de 20 0C (in timp ce in exterior temperatura este
de 0 0C) este necesar ca sistemul de incalzire sa furnizeze un
flux constant de caldura de 40 W.
Transfer de caldura (1) Conductia (15)
Transferul de caldura prin conductie se poate efectua in doua
feluri:
• regim stationar, cand sunt conditii stabile, caldura care iese
din sistem este compensata de caldura care intra, temperatura
ramanand constanta;
• regim tranzitoriu cand caldura care iese sau intra nu este
compensata si temperatura variaza (incalzire, racire).
Temperatura
Timp
Incalzire
Racire
Transferul de caldura prin
conductie este dependent
de existenta sau lipsa
surselor interne de caldura
Convecţia termică – procesul de transfer al căldurii prin
acţiunea combinată a conducţiei termice, a acumulării de
energie internă şi a mişcării de amestec. Convecţia este cel
mai important mecanism de schimb de căldură între o
suprafaţă solidă şi un fluid, între care există contact direct şi
mişcare relativă.
A
Ts
Tf
fluidsolid
- este fluxul de căldură transferat
prin convecţie;
- coeficientul de schimb de căldură
prin convecţie sau coeficientul de
convecţie, în (W/ m2 K);
Tf,T -temperatura fluidului, respectiv,
a suprafeţei peretelui, în K;
T - diferenţa de temperatură între
fluid şi perete;
A - aria suprafeţei
Transfer de caldura (2) Convectia (1)
Exemple comune ale transferului căldurii prin convecţie: un curent de aer ce
trece pe deasupra unei rezistenţe electrice încălzite sau răcirea unui motor de
maşină.
Cel mai comun exemplu îl reprezintă mişcarea aerului din atmosferă.
Convecţia forţată are loc când este utilizată o formă de energie
mecanică (de exemplu, ventilatoare şi pompe) pentru a asigura
curgerea fluidului de-a lungul peretului solid.
Convecţia liberă (naturală) - când forţele mişcării browniene de
agitare datorate gradienţilor de densitate sunt singura cauză a
deplasărilor macroscopice ale fluidelor. Gradienţi de densitate
sunt ei înşişi dependenţi de gradienţii de temperatură din fluid.
Rezolvarea matematică este foarte complicată, deoarece
este necesară luarea în considerare şi cuplarea, pe de o
parte, a legilor mecanicii fluidelor şi, pe de altă parte, a legilor
conservării energiei.
Transfer de caldura (2) Convectia (2)
Transferul de căldură prin convecţie (de exemplu, de la un
perete mai cald la un fluid mai rece) are loc în câteva etape:
• trecerea căldurii prin conducţie termică de la suprafaţa
peretelui la particulele de fluid adiacente acestuia;
• creşterea temperaturii şi a energiei interne a particulelor din
stratul de fluid de lângă perete, denumit strat limită;
• deplasarea particulelor cu energie mai mare către zone de
fluid cu temperaturi mai scăzute;
• amestecarea cu alte particule; în acest mod particulele cu
energie mai mare transmit o parte din energia lor celorlalte
particule.
Convecţia este un proces complex de transfer combinat de
energie, masă şi impuls.
Energia este înmagazinată în particulele de fluid şi transportată ca rezultat
al mişcării acestora. Pentru a studia transferul convectiv de căldură este
necesară cunoaşterea caracteristicilor de curgere a fluidului.
Transfer de caldura (2) Convectia (3)
Relaţia de bază a transferului de căldură prin convecţie a fost propusă
de Newton în 1701 şi permite calculul căldurii schimbate între un fluid
şi suprafaţa unui perete:
= A(Tf – Ts)= AT [W]; q = / A = T [W/m2],
unde: este fluxul de căldură transferat prin convecţie;
q’ - densitatea de flux termic;
- coeficientul de schimb de căldură prin convecţie sau coeficientul de
convecţie, denumit uneori şi conductanţă termică convectivă sau
coeficient de schimb de căldură prin suprafaţă, în W/(m2.K);
Tf , Ts – temperatura fluidului (la o distanţă suficient de mare de
suprafaţă), respectiv, temperatura suprafeţei peretelui, în K;
T – diferenţa de temperatură între fluid şi perete;
A - aria suprafeţei de schimb de căldură a peretelui.
Adoptarea diferenţei de temperatură, Tf – Ts, presupune că
temperatura fluidului este mai mare decât cea a suprafeţei solide.
Valorile coeficientului de convecţie variază foarte mult de la un
fluid la altul şi depinde, de asemenea, de temperatură.
Transfer de caldura (2) Convectia (4)
Transfer de caldura (2) Convectia (5)
În tabel se prezintă valorile coeficientului pentru câteva medii
fluide frecvent întâlnite în practică.
Fluidul şi procesul de convecţie , W/( m2.K)
Aer, convecţie liberă
Aer sau abur supraîncălzit, convecţie forţată
Ulei, convecţie forţată
Apă, convecţie forţată
Apă la temperatura de fierbere
Abur, la temperatura de condensare
6…30
30…500
60…1800
300…40000
3000…60000
6000…120000
Rezistenţa termică la schimbul de căldură prin
convecţie Rconv se exprimă prin raportul dintre
diferenţa de temperatură şi densitatea de flux
termic. Rconv = T/qα
1convR [ m2.K/W].
Coeficientul de convecţie se obţine adesea din corelaţii implicând numere
adimensionale, în concordanţă cu scopul urmărit: Nu, Re, Gr, Pr.
- Criteriul Nusselt (Nu) realizează legătura dintre caracteristicile
dispozitivului luat în considerare: coeficientul de convecţie ,
conductivitatea termică a fluidului şi mărimea (diametrul unei ţevi
cilindrice, grosimea unei plăci plane etc.).
- Criteriul Reynolds (Re) caracterizează natura curgerii, laminară sau
turbulentă, în cazul convecţiei forţate în cazul convecţiei libere, numărul
Reynolds este înlocuit de criteriul Grashof (Gr), care este reprezentativ
în procesele de convecţie liberă şi caracterizează acţiunea reciprocă a
forţelor ascensionale şi a forţelor determinate de viscozitatea fluidului.
- Numărul Prandtl (Pr) este raportul dintre viscozitatea cinematică a
fluidului şi difuzivitatea termică a:
Cele mai simple relaţii care dau valorile lui Nu au următoarele forme:
convecţia forţată: Nu = b.Rem.Prn;
convecţia liberă Nu = b.Grm.Prn ,
în care: b, m şi n sunt coeficienţi numerici.
Valorile lui sunt cuprinse între 2 şi 200 W.m-1.K-1 în cazul gazelor şi
între 100 şi 2000 W.m-1.K-1 în cazul lichidelor.
Transfer de caldura (2) Convectia (6)
Curs 5 Intrebari si raspunsuri din cursul 5
Intrebari:
1. Cum se explica fenomenul transferului de caldura?
2. Care sunt cele 3 moduri de baza de transfer de caldura?
3. Corpul uman emite sau nu radiatie electromagnetica?
4. Cum se produce transferul termic intr-un sistem izolat intre doua corpuri cu
temperaturi diferite?
5. Ce se intelege prin conductie termica?
6. Cum se produce conductia termica in materiale nemetalice (dielectrice)?
7. Cum se produce conductia in cazul materialelor metalice si semiconductoare?
8. Ce este gradientul de temperatura?
9. Cum este definit fluxul termic si in ce unitati se masoara?
10.Cum este definita densitatea fluxului termic?
11.Ce este conductivitatea termica?
12.Conductivitatea termica este mai mare pentru metale pure sau pentru aliaje?
13.Ce este difuzivitatea termica si in ce unitati se masoara?
14.Cum este formulata legea lui Fourier?
15. Cum este definita rezistenta la conductie (analogie cu rezistenta electrica)?
16. Ce se intelege prin regim stationar si tranzitoriu in transferul termic?
17. Ce se intelege prin convectie termica?
18. Ce se intelege prin: convectie libera si convectie fortata?
Raspunsuri
1. Cum se explica fenomenul transferului de caldura?
Existenţa unui potenţial termic determină transferul spontan de energie de la corpul cu
temperatura mai ridicată la corpul cu temperatura mai scăzută.
2. Care sunt cele 3 moduri de baza de transfer de caldura?
Transferul căldurii se face în trei feluri: conducţie, convecţie şi radiaţie.
3. Corpul uman emite sau nu radiatie electromagnetica?
Corpul uman emite, radiatie termica, unde electromagnetice cu lungimea de undă de
aproximativ 10 micrometri.
4. Cum se produce transferul termic intr-un sistem izolat intre doua corpuri cu
temperaturi diferite?
Intr-un sistem izolat, în regim staţionar, cantitatea de căldură cedată de corpul cu temperatura
mai ridicată este egală cu cantitatea de căldură primită de corpul cu temperatura mai scăzută.
5. Ce se intelege prin conductie termica?
Conducţia este transferul căldurii dintre două materiale care intră în contact unul cu celălalt.
Energia cinetică moleculară a unui material (sau zona dintr-un material) se transferă unui alt
material (sau altei zone din acesta) cu energie cinetică mai mică prin intermediul coliziunilor
particulelor constituente.
6. Cum se produce conductia termica in materiale nemetalice (dielectrice)?
În cazul corpurilor solide nemetalice (dielectrice) conducţia termică are loc prin vibraţia termică a
reţelei cristaline, considerată ca o suprapunere de unde acustice elastice.
Astfel, între două feţe cu temperaturi diferite ale aceluiaşi cristal, energia termică este
transferată, de la faţa caldă spre cea rece, în mod similar propagării energiei electromagnetice
în spaţiu, prin intermediul fotonilor.
Curs 5 Intrebari si raspunsuri din cursul 5
Curs 5 Intrebari si raspunsuri din cursul 5 continuare
7. Cum se produce conductia in cazul materialelor metalice si semiconductoare?
La corpurile solide metalice şi semiconductoare, conducţia se desfăşoară prin două procese
diferite: transfer de energie cu ajutorul fononilor, prin oscilaţii ale reţelei cristaline; transfer de
energie prin intermediul electronilor liberi (de valenţă), care pot fi consideraţi ca un gaz
monoatomic perfect.
8. Ce este gradientul de temperatura?
Gradientul de temperatură exprimă variaţia de temperatură într-un punct din spaţiu, la un moment
dat. Gradientul de temperatură reprezintă un vector normal la suprafaţa izotermă, egal numeric cu
derivata temperaturii în raport cu normala la suprafaţă:
9. Cum este definit fluxul termic si in ce unitati se masoara?
Fluxul de căldură (termic), Φ, reprezintă cantitatea de căldură care trece printr-un mediu sau de la
un corp la altul, printr-o anumită suprafaţă, în unitatea de timp: Φ = Q/ si se masoara in W.
10. Cum este definita densitatea fluxului termic?
Densitatea fluxului termic (fluxul unitar de căldură) reprezintă fluxul de căldură raportat la
suprafaţa de schimb de căldură.
11. Ce este conductivitatea termica?
Conductivitatea termică , [W/m.K] a unui material reprezintă cantitatea de căldură transferată
prin conducţie în unitatea de timp, prin unitatea de suprafaţă, la un gradient termic de 1 K/m.
12. Conductivitatea termica este mai mare pentru metale pure sau pentru aliaje?
Metalele pure au conductivitatea termică mai mare decât aliajele; prin urmare, prezenţa
elementelor de aliere sau a impurităţilor are ca efect scăderea drastică a conductivităţii.
13. Ce este difuzivitatea termica si in ce unitati se masoara?
Difuzivitatea termică, a = /.c [m2/s] a unui material este raportul dintre conductivitatea termica si
caldura specifica volumetrica. Difuzivitatea termică este o măsură a inerţiei termice a unui corp.
14. Cum este formulata legea lui Fourier?
Legea lui Fourier reprezintă ecuaţia de bază a conducţiei termice unidirecţionale printr-un
material cu conductivitatea termică λ. Exprimă faptul că fluxul de căldură printr-un material, în
cazul unui transfer de căldură unidirecţional, are forma:
15. Cum este definita rezistenta la conductie (analogie cu rezistenta electrica)?
/= Rcond este denumita rezistenta la conductie pentru un perete plan intr-un singur strat.
16. Ce se intelege prin regim stationar si tranzitoriu in transferul termic?
Transferul de caldura prin conductie se poate efectua in doua feluri: regim stationar, cand sunt
conditii stabile, caldura care iese din sistem este compensata de caldura care intra, temperatura
ramanand constanta; regim tranzitoriu cand caldura care iese sau intra nu este compensata si
temperatura variaza (incalzire, racire).
17. Ce se intelege prin convectie termica?
Convecţia termică – procesul de transfer al căldurii prin acţiunea combinată a conducţiei
termice, a acumulării de energie internă şi a mişcării de amestec. Convecţia este cel mai
important mecanism de schimb de căldură între o suprafaţă solidă şi un fluid, între care există
contact direct şi mişcare relativă.
18. Ce se intelege prin: convectie libera si convectie fortata?
Convecţia forţată are loc când este utilizată o formă de energie mecanică (de exemplu,
ventilatoare şi pompe) pentru a asigura curgerea fluidului de-a lungul peretului solid. Convecţia
liberă (naturală) - când forţele mişcării browniene de agitare datorate gradienţilor de densitate
sunt singura cauză a deplasărilor macroscopice ale fluidelor. Gradienţi de densitate sunt ei înşişi
dependenţi de gradienţii de temperatură din fluid.
Curs 5 Intrebari si raspunsuri din cursul 5 continuare
x
TA
d
d. [W]; [W/m2],
x
T
Aq
d
dλ