Kodėl šilumos paskleidimas didesniame plote padeda aušinti?
Trumpas atsakymas: Šilumos paskirstymas didesniame plote leidžia iš objekto vienu metu išeiti daugiau šilumos. Dėl mažesnio šilumos srauto kvadratiniame colyje bet kuri vieta išlieka vėsesnė, todėl visas objektas greičiau atvėsta arba išlieka mažiau karštas.
Paprasčiau tariant
Šiluma yra energijos judėjimas iš šiltų vietų į vėsesnes vietas. Kai tas pats šilumos kiekis gali judėti per didesnį paviršiaus plotą, kiekvienas mažas plotelis išskiria mažiau šilumos, todėl jis greičiau atvėsta. Šiluma palieka objektus liesdama orą ar kitas medžiagas (laidumas ir konvekcija) ir spindėdama kaip infraraudonieji spinduliai (spinduliuotė).
Visi šie būdai priklauso nuo to, kiek paviršiaus ploto yra. Didesnis paviršiaus plotas suteikia daugiau „durų“ šilumai išeiti. Jei viena metalinė plokštė ir kita identiška plokštė, bet su papildomomis briaunomis, sulaiko tą pačią šilumą, briaunota plokštė atvėsta greičiau, nes jos oras liečiasi daugiau ploto.
Štai kodėl inžinieriai prideda briaunas ir paskirsto šilumą plačioms metalinėms dalims.
Kaip tai veikia moksliškai
Įvardyti dėsniai / principai: Furjė šilumos laidumo dėsnis ir Niutono aušinimo dėsnis (konvekcijai); Stefano-Bolcmano dėsnis apibūdina spinduliuojamos šilumos nuostolius.
Laidumo atveju Furjė dėsnis teigia, kad šilumos srautas seka temperatūros gradientą ir priklauso nuo medžiagos šilumos laidumo. Konvekcijos atveju Niutono aušinimo dėsnis teigia, kad greitis, kuriuo šiluma palieka objektą skystyje (pvz., ore), yra proporcingas paviršiaus plotui ir temperatūros skirtumui tarp objekto ir skysčio. Spinduliuotės atveju Stefano-Bolcmano dėsnis rodo, kad skleidžiama galia didėja didėjant paviršiaus plotui ir temperatūrai iki ketvirtojo laipsnio.
Kartu šie dėsniai paaiškina, kodėl didinant šilumos perdavimui skirtą paviršiaus plotą, padidėja bendras šilumos nuostolių greitis esant tam pačiam temperatūros skirtumui . Šilumos paskirstymas didesniame plote taip pat sumažina vietinius temperatūros gradientus. Tai sumažina šiluminę varžą (objekto pasipriešinimą šilumos srautui) ir pagreitina viso objekto atvėsimą.
Kaip mes tai žinome: Mokslininkai matuoja temperatūrą ir šilumos srautą termometrais, infraraudonųjų spindulių kameromis ir jutikliais, o matematinius ryšius patvirtina laboratoriniais bandymais ir inžinerijos taikymuose .
Kur tai pastebėsi
- Kompiuterio radiatorius su daugybe plonų briaunų: didesnis plotas greičiau aušina procesorių.
- Automobilio radiatorius: daug vamzdžių ir briaunų padidina plotą, todėl variklio šiluma greičiau pasišalina.
- Keptuvė su plačiu plokščiu dugnu kraštuose atvėsta greičiau nei siauras metalinis strypas su ta pačia šiluma.
- Laisvi, orui laidžiais drabužiais kūno šiluma paskirstoma didesniam oro kiekiui, todėl jaučiatės vėsiau.
Eksperimentas
Metalinio šaukšto aušinimas
Sauga: Būkite atsargūs su karštu vandeniu; paprašykite suaugusiojo pagalbos.
Priemonės
- du metaliniai šaukštai (vienas paprastas
- kitas suvyniotas į suglamžytą aliuminio foliją
- kad padidėtų plotas)
- puodelis karšto (ne verdančio) vandens
- termometras
- chronometras
Žingsniai
- Pašildykite vandenį iki šiltos, bet saugios temperatūros ir supilkite į puodelį.
- Įdėkite abu šaukštus į vandenį 30 sekundžių, kad jie vienodai sušiltų.
- Išimkite abu šaukštus vienu metu; paleiskite chronometrą.
- Kas 15 sekundžių palieskite šaukštų dubenėlius arba matuokite jų temperatūrą termometru ir užrašykite, kuris šaukštas jaučiasi arba rodo vėsesnį.
- Palyginkite, kaip greitai vėsėja folija suvyniotas šaukštas, palyginti su paprastu šaukštu. Ką tai rodo: šaukštas su didesniu paviršiaus plotu greičiau praranda šilumą ir greičiau atvėsta.
Naudingi terminai
- Šiluma: energija, kuri pereina iš šiltesnių objektų į vėsesnius.
- Temperatūra: matas, parodantis, kiek kažkas yra karšta.
- Konvekcija: šilumos perdavimas judinant skystį (pvz., orą ar vandenį), kuris nuneša energiją.
- Šilumos srautas: šilumos kiekis, praeinantis per paviršių ploto vienete per tam tikrą laiką.
Vaikai klausia
Ar didesnis plotas visada reiškia geresnį aušinimą?
Paprastai taip, esant toms pačioms sąlygoms, bet jei oras negali judėti arba medžiaga yra izoliuota, papildomas plotas padeda mažiau.
Ar galiu ką nors atvėsinti tiesiog jį padidindamas?
Padidintas atviras paviršius padeda, bet taip pat reikia žemesnės aplinkos temperatūros arba judančio oro, kad šiluma būtų pašalinta.
Kodėl automobilių radiatoriai turi plonas briaunas?
Plonos briaunos padidina paviršiaus plotą, kad į orą greičiau išsiskirtų daugiau šilumos.