Lämmönsiirrolla

Lämmönsiirrolla tarkoitetaan energian siirtymistä kappaleesta toiseen lämpötilavaihtelun vuoksi. Siirtotapoja ovat konduktio, konvektio ja säteily. Konduktio tapahtuu aineen sisällä tai kahden kiinteän kappaleen kosketuspinnalla, ja sen nopeuteen vaikuttavat lämpöjohtavuus (k), lämpötilagradientti ja geometria. Konvektio syntyy, kun lämpöä kantavat nesteet tai kaasut virtaavat; luonnollinen konvektio johtuu lämpötilaeroista, pakotettu konvektio taas käyttämien ilmavirtojen avulla. Säteily on lämpöenergian siirtymistä sähkömagneettisena säteilynä ilman fyysistä kosketusta; olennaisina parametreina ovat emissiviteetti (ε) ja ympäristön lämpötila.

Lämmönsiirron voimakkuuteen vaikuttavat tekijät ovat lämpötilan ero ΔT, siirtopinnan ala A sekä materiaaleihin liittyvät ominaisuudet ja olosuhteet. Konduktiosta voidaan mallintaa peruskaavalla Q/t = k A ΔT / L, jossa L on materiaalin paksuus. Konvektiossa käytetään Q/t = h A ΔT, jossa h on konvektion siirtokerroksen lämpösiirtokerroin. Säteilyssä käytetään muotoa Q/t = ε σ A (T^4 − T_env^4), missä σ on Stefan–Boltzmannin vakio. Yleisesti lämmönsiirron kokonaismäärä on näiden mekanismien summa.

Käytännössä lämmönsiirtoa hallitaan monin tavoin: rakennusten eristäminen, lämpövaihtimot ja jäähdytys- sekä lämmitysjärjestelmät optimoivat energiatehokkuutta; elektroniikkalaitteiden jäähdytys ja teolliset prosessit perustuvat tarkkaan hallintaan konduktiota, konvektiota ja säteilyä. Lämmönsiirron ymmärtäminen on keskeistä sekä suunnittelussa että toimintojen optimoinnissa, jotta energiaa käytetään tarkoituksenmukaisesti ja turvallisesti.