PEMINDAHAN HABA: UNDANG-UNDANG, BENTUK PENGHANTARAN, CONTOH - FIZIKAL - 2026

Terdapat perpindahan haba ketika tenaga berpindah dari satu badan ke badan yang lain kerana perbezaan suhu antara keduanya. Proses pemindahan haba berhenti sebaik sahaja suhu badan yang bersentuhan sama atau ketika hubungan di antara mereka terlepas.

Jumlah tenaga yang dipindahkan dari satu badan ke badan yang lain dalam jangka masa tertentu disebut haba yang dipindahkan. Satu badan dapat memberikan haba kepada yang lain, atau dapat menyerapnya, tetapi panas selalu mengalir dari badan dengan suhu tertinggi ke badan dengan suhu terendah.

Gambar 1. Dalam api unggun terdapat tiga mekanisme pemindahan haba: pengaliran, perolakan dan radiasi. Sumber: Pixabay.

Unit haba adalah sama dengan tenaga dan dalam sistem pengukuran antarabangsa (SI) ia adalah joule (J). Unit haba lain yang sering digunakan adalah kalori dan BTU.

Adapun undang-undang matematik yang mengatur pemindahan haba, mereka bergantung pada mekanisme yang terlibat dalam pertukaran.

Apabila haba dilakukan dari satu badan ke badan yang lain, kadar pertukaran haba adalah sebanding dengan perbezaan suhu. Ini dikenali sebagai hukum kekonduksian terma Fourier, yang membawa kepada undang-undang pendinginan Newton.

Bentuk / mekanisme penghantaran haba

Mereka adalah cara di mana haba dapat ditukar antara dua badan. Tiga mekanisme diiktiraf:

-Memandu

-Konveksi

-Radiasi

Dalam periuk seperti yang ditunjukkan dalam gambar di atas, terdapat tiga mekanisme pemindahan haba berikut:

- Logam di dalam periuk dipanaskan terutamanya dengan pengaliran.

-Air dan udara dipanaskan dan naik melalui perolakan.

-Orang berhampiran periuk dipanaskan oleh sinaran yang dipancarkan.

Memandu

Pengaliran haba berlaku terutamanya pada pepejal dan khususnya pada logam.

Sebagai contoh, dapur di dapur menghantar haba ke makanan di dalam periuk melalui mekanisme pengaliran melalui logam bahagian bawah dan dinding logam bekas. Dalam pengaliran haba tidak ada pengangkutan bahan, hanya tenaga.

Perolakan

Mekanisme perolakan adalah khas dari cecair dan gas. Ini hampir selalu kurang padat pada suhu yang lebih tinggi, oleh sebab ini terdapat pengangkutan haba ke atas dari bahagian cecair yang lebih panas ke kawasan yang lebih tinggi dengan bahagian cecair yang lebih sejuk. Dalam mekanisme perolakan ada pengangkutan bahan.

Sinaran

Sebaliknya, mekanisme radiasi membolehkan pertukaran haba antara dua badan walaupun mereka tidak bersentuhan. Contoh langsung adalah Matahari, yang memanaskan Bumi melalui ruang kosong di antara mereka.

Semua badan memancarkan dan menyerap sinaran elektromagnetik. Sekiranya anda mempunyai dua badan pada suhu yang berbeza, walaupun berada dalam keadaan hampa, beberapa saat ia akan mencapai suhu yang sama kerana pertukaran haba oleh sinaran elektromagnetik.

Kadar pemindahan haba

Dalam sistem termodinamik keseimbangan, jumlah haba yang ditukar dengan persekitaran penting, sehingga sistem tersebut berpindah dari satu keadaan keseimbangan ke keadaan yang lain.

Sebaliknya, dalam pemindahan haba, minat tertumpu pada fenomena sementara, ketika sistem belum mencapai keseimbangan terma. Penting untuk diperhatikan bahawa jumlah haba ditukar dalam jangka waktu tertentu, iaitu, terdapat kecepatan pemindahan haba.

Contoh

- Contoh pengaliran haba

Dalam kekonduksian terma, tenaga haba dihantar melalui perlanggaran antara atom dan molekul bahan, sama ada pepejal, cecair atau gas.

Pepejal adalah pengalir haba yang lebih baik daripada gas dan cecair. Dalam logam terdapat elektron bebas yang dapat bergerak melalui logam.

Oleh kerana elektron bebas mempunyai mobiliti yang besar, mereka mampu menghantar tenaga kinetik melalui perlanggaran dengan lebih berkesan, sebab itulah logam mempunyai kekonduksian terma yang tinggi.

Dari sudut pandangan makroskopik, kekonduksian terma diukur sebagai jumlah haba yang dipindahkan per unit masa, atau arus kalori H:

Rajah 2. Pengaliran haba melalui bar. Disediakan oleh Fanny Zapata.

Arus kalori H berkadar dengan keratan rentas kawasan A dan variasi suhu per unit jarak membujur.

Persamaan ini digunakan untuk mengira arus kalori H bar seperti yang terdapat dalam rajah 2, yang berada di antara dua takungan suhu T ₁ dan T ₂ masing-masing, di mana T ₁ > T ₂ .

Kekonduksian terma bahan

Berikut adalah senarai kekonduksian termal beberapa bahan dalam watt per meter per kelvin: W / (m. K)

Aluminium -------- 205

Tembaga --------- 385

Perak ---------- 400

Keluli ---------– 50

Cork atau Fiberglass - 0.04

Konkrit atau kaca ----- 0,8

Kayu ----- 0,05 hingga 0,015

Udara --------– 0.024

- Contoh haba perolakan

Dalam perolakan panas, tenaga dipindahkan kerana pergerakan cecair, yang, pada suhu yang berbeza, mempunyai ketumpatan yang berbeza. Contohnya, apabila air direbus di dalam periuk, air di bahagian bawah menaikkan suhunya, sehingga mengembang.

Pengembangan ini menjadikan air panas naik, sementara yang sejuk turun untuk memenuhi ruang yang ditinggalkan oleh air panas yang naik. Hasilnya adalah pergerakan peredaran yang berterusan sehingga suhu semua peringkat menyamakan kedudukan.

Konveksi adalah yang menentukan pergerakan jisim udara besar di atmosfera Bumi dan juga menentukan peredaran arus laut.

- Contoh haba radiasi

Dalam mekanisme penghantaran haba melalui konduksi dan konveksi, kehadiran bahan diperlukan agar haba dapat dihantar. Sebaliknya, dalam mekanisme radiasi, haba dapat berpindah dari satu badan ke badan yang lain melalui vakum.

Ini adalah mekanisme di mana Matahari, pada suhu yang lebih tinggi daripada Bumi, mengirimkan tenaga ke planet kita secara langsung melalui ruang vakum. Sinaran datang kepada kita melalui gelombang elektromagnetik.

Semua bahan mampu memancarkan dan menyerap sinaran elektromagnetik. Maksimum frekuensi yang dipancarkan atau diserap bergantung pada suhu bahan dan frekuensi ini meningkat dengan suhu.

Panjang gelombang yang dominan dalam spektrum pelepasan atau penyerapan badan hitam mengikuti undang-undang Wien, yang menyatakan bahawa panjang gelombang yang dominan adalah sebanding dengan suhu badan yang terbalik.

Sebaliknya, daya (dalam watt) dengan mana badan memancarkan atau menyerap tenaga haba oleh sinaran elektromagnetik berkadar dengan daya keempat suhu mutlak. Ini dikenali sebagai undang-undang Stefan:

P = εAσT ⁴

Dalam ungkapan di atas σ adalah pemalar Stefan dan nilainya ialah 5.67 x 10-8 W / m ² K ⁴ . A adalah luas permukaan badan dan ε adalah daya pancar bahan, pemalar tanpa dimensi yang nilainya antara 0 dan 1, dan bergantung pada bahan.

Latihan diselesaikan

Pertimbangkan palang pada Gambar 2. Anggaplah bar itu panjangnya 5 cm, radius 1 cm, dan diperbuat daripada tembaga.

Bar diletakkan di antara dua dinding yang menjaga suhunya tetap. Dinding pertama mempunyai suhu T1 = 100ºC, sementara yang lain pada suhu T2 = 20ºC. Tentukan:

a.- Nilai arus haba H

b.- Suhu bar tembaga pada 2 cm, pada 3 cm dan pada 4 cm dari dinding suhu T1.

Penyelesaian untuk

Oleh kerana batang tembaga diletakkan di antara dua dinding yang dindingnya mempertahankan suhu yang sama setiap saat, dapat dikatakan bahawa ia berada dalam keadaan stabil. Dengan kata lain, arus terma H mempunyai nilai yang sama untuk seketika.

Untuk mengira arus ini, kami menggunakan formula yang mengaitkan arus H dengan perbezaan suhu dan panjang bar.

Luas keratan rentas adalah:

A = πR ² = 3.14 * (1 × 10 ^-2 m) ² = 3.14 x 10 ^-4 m ²

Perbezaan suhu antara hujung bar adalah

ΔT = (100ºC - 20ºC) = (373K - 293K) = 80K

Δx = 5 cm = 5 x 10 ^-2 m

H = 385 W / (m K) * 3,14 x 10 ^-4 m ² * (80K / 5 x 10 ^-2 m) = 193,4 W

Arus ini sama pada setiap titik di bar dan pada bila-bila masa, kerana keadaan stabil telah dicapai.

Penyelesaian b

Pada bahagian ini kita diminta untuk menghitung suhu Tp pada titik P yang terletak pada jarak Xp dari dinding T ₁ .

Ungkapan yang memberikan arus kalori H pada titik P adalah:

Dari ungkapan ini, Tp dapat dikira dengan:

Mari kita hitung suhu Tp pada kedudukan 2 cm, 3 cm dan 4 cm masing-masing, menggantikan nilai berangka:

• Tp = 340.6K = 67.6 ° C; 2 cm dari T1
• Tp = 324.4K = 51.4 ° C; 3 cm dari T1
• Tp = 308.2K = 35.2 ° C; 4 cm dari T1

Rujukan

1. Figueroa, D. 2005. Siri: Fizik untuk Sains dan Kejuruteraan. Jilid 5. Cecair dan Termodinamik. Disunting oleh Douglas Figueroa (USB).
2. Kirkpatrick, L. 2007. Fizik: Pandangan Dunia. Edisi ringkasan ke-6. Pembelajaran Cengage.
3. Lay, J. 2004. Fizik Umum untuk Jurutera. PENGGUNAAN.
4. Mott, R. 2006. Mekanik Bendalir. Ke-4. Edisi. Pendidikan Pearson.
5. Strangeways, I. 2003. Mengukur Alam Sekitar Alam. Ke-2. Edisi. Akhbar Universiti Cambridge.
6. Wikipedia. Kekonduksian terma. Dipulihkan dari: es.wikipedia.com