Proces wymiany ciepła pomiędzy układami termodynamicznymi

Proces przekazywania energii cieplnej z jednego układu do drugiego wynika z poszczególnych mechanizmów tego zjawiska. Rozchodzenie się ciepła w przyrodzie jest nieodwracalne i skutkuje wyrównywaniem się różnic temperatury. Znane są następujące sposoby transportu ciepła:

Przewodzenie - mechanizm tego procesu polega na przekazywaniu ciepła między częściami stykających się ciał. Cząsteczki jednego ciała przekazują energię cząsteczkom ciała drugiego poprzez ruch oscylacyjny. Podczas wzajemnych zderzeń cząsteczek układu wywołanych ich ruchem następuje przekazanie energii kinetycznej. Zależność tego zjawiska można przedstawiać za pomocą równania Fouriera, które określa przewodzenie ciepła przez ściankę ciała prostopadle do jej powierzchni:

Poniższy rysunek przedstawia proces przewodzenia w płaskiej przegrodzie:

Konwekcja - zjawisko to polega na przenoszeniu energii cieplnej poprzez zgrupowane cząsteczki w postaci warstw płynu, czyli cieczy i gazów. Rozróżnić można dwa rodzaje przenoszenia ciepła przez konwekcję. Pierwszy z nich stanowi konwekcję swobodną charakteryzującą się ruchem płynu wywołanym różnicą gęstości, czyli różnicą temperatur poszczególnych warstw płynu. Drugi jest konwekcją wymuszoną, gdzie ruch płynu spowodowany jest oddziaływaniem siły zewnętrznej. Proces wnikania odgrywa znaczącą rolę w wymianie ciepła przez konwekcje. Kontaktujący się bezpośrednio płyn z powierzchnią ciała cechuje się przewodzeniem ciepła, w którym o intensywności przekazywania ciepła decyduje grubość warstwy przyściennej. Ogólne obliczenia przekazywania ciepła dla obydwu rodzaju konwekcji można obliczyć na podstawie wzoru:

Na poniższym rysunku zaprezentowano konwekcję swobodną oraz wymuszoną:

Promieniowanie - zjawisko przenoszenia energii w postaci ciepła przez fale elektromagnetyczne, tworzące głównie fale podczerwone. Wymiana ciepła przez promieniowanie nie przebiega oddzielnie, a w większości przypadków uwzględnia jednoczesny udział poszczególnych sposobów przekazania energii cieplnej. Proces ten podlega tym samym prawom co promieniowanie świetlne, lecz podstawową różnicą jest długość fali promieniowania cieplnego wynoszącą λ = 0,7 - 10 μm. Energia cieplna i długość fali promieniowania uwarunkowana jest temperaturą powierzchni źródła ciepła, a wraz z jej wzrostem zwiększa się udział promieniowania. Na powierzchni materiału cząstki (ładunki elektryczne) wprawiane są w ruch drgający na skutek przyśpieszenia powodując emisję promieniowania. Wypromieniowana moc cieplna przez powierzchnię danego ciała określa prawo Stefana-Boltzmanna dla ciała doskonale czarnego:

Tabela przedstawia zestawienie maksymalnego promieniowania ciała doskonale czarnego dla poszczególnych długości fal: