Lämpösiirtoprosessien

Lämpösiirtoprosessit ovat fysikaalisia ilmiöitä, joissa terminen energia siirtyy kappaleiden tai aineiden välillä lämpötilaerosta johtuen. Keskeiset siirtomuodot ovat johtuminen, konvektio ja säteily. Lisäksi faasimuutos tuottaa lämpösiirtoa, kun aineita höyrytetään, jäähtytetään tai nesteytetään.

Johtuminen tapahtuu aineen sisällä tai kappaleiden välillä, kun lämpö liikkuu lämpötilaeron aiheuttaman gradientin mukaan. Sitä kuvaa Fourierin laki: q = -k ∂T/∂x, jossa q on lämpövirta ja k on aineen lämmönjohtavuus. Johtuminen on tärkeä muun muassa kiinteiden aineiden lämpötilan tasaantumisessa ja eristeiden ominaisuuksien määrittämisessä.

Konvektio syntyy, kun lämpö siirtyy pinnan ja lämmönlähteen välissä liikkuvan fluidin (nestettä tai gas) avulla. Yleisiä muotoja ovat luonnollinen konvektio ja pakotettu konvektio, kuten tuuletus. Lämpövirta q" pintaa kohti voidaan ilmoittaa q" = h ΔT, jossa h on konvektiokerroksen siirtokerroin ja ΔT on pintalämpötilaeron. Konvektio riippuu virtausolosuhteista, geometriasta ja nesteen ominaisuuksista.

Säteily on lämpöenergian siirtymistä elektromagneettisena säteilynä ilman suoraa kosketusta. Säteilylämpö pintojen välillä on q" = ε σ (T^4 − T_env^4), missä ε on emissiviteetti ja σ Stefan–Boltzmannin vakio. Säteily on tärkeä erityisesti korkeissa lämpötiloissa ja tyhjiössä.

Lämpösiirtoprosessien analyysissä käytetään lisäksi ominaisuuksia kuten lämmönjohtavuus k, tiheys ρ, lämpökapasiteetti c_p ja lämpöäjakauman aikavakio α = k/(ρ c_p). Pinta- ja tilavuudellisten mittasuhteiden arviointiin sovelletaan Biot-numeroa Bi = h L_c / k sekä transienttien tarkasteluun Fourierin numeroa Fo = α t / L^2. Näitä käsitteitä käytetään esimerkiksi lämpöeristysten, lämmönvaihtimien ja elektronisten laitteiden termisen hallinnan suunnittelussa.