De värmeström är den hastighet med vilken värme överförs över tiden. Eftersom det är en hastighet av värmeenergi över tid, SI-enhet värmeström är joule per sekundeller watt (W).
Värme rinner genom materiella föremål genom ledning, med uppvärmda partiklar som ger sin energi till angränsande partiklar. Forskare studerade flödet av värme genom material långt innan de ens visste att materialen består av atomer, och värmeström är ett av de koncept som var till hjälp i detta avseende. Även idag, även om vi förstår värmeöverföring att vara relaterad till rörelse av enskilda atomer, i de flesta situationer är det opraktiskt och föga hjälpsamt att försöka tänka på situationen på det sättet och att gå tillbaka för att behandla objektet i större skala är det mest lämpliga sättet att studera eller förutsäga rörelsen på värme.
Matematik för värmeström
Eftersom värmeströmmen representerar flödet av värmeenergi över tid kan du tänka på det som att representera en liten mängd värmeenergi, dQ (Q är den variabel som vanligtvis används för att representera värmeenergi), som överförs under en liten tid,
dt. Använda variabeln H för att representera värmeström ger detta dig ekvationen:H = dQ / dt
Om du har tagit förkalkyl eller calculus, kanske du inser att en förändringshastighet som denna är ett bra exempel på när du vill ta en gräns när tiden närmar sig noll. Experimentellt kan du göra det genom att mäta värmeförändringen med mindre och mindre tidsintervall.
Experiment genomförda för att bestämma värmeströmmen har identifierat följande matematiska samband:
H = dQ / dt = kA (TH - TC) / L
Det kan verka som en skrämmande mängd variabler, så låt oss bryta ned dem (av vilka några redan har förklarats):
- H: värmeström
- dQ: liten mängd värme som överförts över en tid dt
- dt: liten tid under vilken dQ var överförd
- k: materialets värmeledningsförmåga
- EN: objektets tvärsnittsarea
- TH - TC: temperaturskillnaden mellan de varmaste och svalaste temperaturerna i materialet
- L: längden över vilken värmen överförs
Det finns ett element i ekvationen som bör övervägas oberoende:
(TH - TC) / L
Detta är temperaturskillnaden per enhetslängd, känd som temperaturgradient.
Termisk resistans
I teknik använder de ofta begreppet termisk motstånd, R, för att beskriva hur väl en värmeisolator förhindrar överföring av värme över materialet. För en platta av material med tjocklek L, är förhållandet för ett givet material R = L / k, vilket resulterar i detta förhållande:
H = EN(TH - TC) / R