Lämpönsiirtomallien

Lämpönsiirtomallit ovat matemaattisia esityksiä, jotka kuvaavat lämmön liikkumista ja sen jakautumista järjestelmässä ajan myötä. Ne auttavat ymmärtämään ja ennustamaan, miten lämpötila muuttuu eri paikoissa ja eri aikoina. Yleisimmät lämmönsiirtomekanismit ovat johtuminen, konvektio ja säteily.

Johtuminen on lämmön siirtymistä suoraan aineen hiukkasten törmäysten kautta. Tämä tapahtuu kiinteissä aineissa, nesteissä ja kaasuissa, mutta on tehokkainta kiinteissä aineissa. Johtumista kuvaava peruslaki on Fourier'n laki, joka liittää lämpövirran lämpötilaerolaatuun ja materiaalin lämmönjohtavuuteen.

Konvektio on lämmön siirtymistä nesteen tai kaasun liikkeen mukana. Kun neste tai kaasu lämpenee, se yleensä laajenee ja tulee vähemmän tiheäksi, jolloin se nousee. Kylmempi, tiheämpi neste tai kaasu laskeutuu tilalle, luoden jatkuvan virtauksen, joka siirtää lämpöä. Konvektiota kutsutaan luonnolliseksi, jos virtaus johtuu tiheyseroista, ja pakotetuksi, jos virtaus aiheutetaan ulkoisella voimalla, kuten pumpulla tai puhaltimella.

Säteily on lämmön siirtymistä sähkömagneettisina aaltoina. Se ei vaadi väliainetta, joten se voi tapahtua tyhjiössä. Aurinko lämmittää maapalloa pääasiassa säteilyn avulla. Lämpösäteilyä emittoivat kaikki kappaleet, joiden lämpötila on absoluuttista nollapistettä korkeampi. Säteilyä kuvaavat muun muassa Stefan-Boltzmannin laki ja Wienin siirtymälaki.

Lämpönsiirtomalleja käytetään monilla aloilla, kuten rakennusten energiatehokkuuden suunnittelussa, moottoreiden ja voimalaitosten kehittämisessä, ilmastonmuutoksen mallintamisessa ja lääketieteellisissä sovelluksissa. Yksinkertaisimmat mallit voivat olla tasapainotilassa, jossa lämpötila ei muutu ajan funktiona, kun taas monimutkaisemmat mallit kuvaavat dynaamisia prosesseja, joissa lämpötila vaihtelee jatkuvasti.