Lämpötilagradientit

Lämpötilagradientit kuvaavat, miten lämpötila cambiaaitaan tilassa tai aineessa. Ne määritellään lämpötilan T muutosnopeutena tilanyhteyden suuntaan, ja niiden suurin muutosnopeus antaa gradientin ∇T. Yksikköinä käytetään kelvin per metri (K/m). Käytännössä gradientit voivat muodostua lämpölähteiden, rajapintojen, materiaalin ominaisuuksien tai faasimuutosten vuoksi.

Esimerkkejä lämpötilagradienteista ovat maankuoren geoterminen gradientti, jossa lämpötila nousee syvemmälle, tyypillisesti muutama kymmenen kelvin per kilometri riippuen kivialueesta. Ilmakehässä lämpötilagradientti laskee ilmakehän korkeuden kasvaessa, muuttuen eri ilmakehän kerroksissa (esimerkiksi troposfäärin lämpötilalasku noin 6,5 K/km). Meressä ja jäätiköillä esiintyy lisäksi sekä pystys- että vaakasuuntaisia gradientteja, jotka vaikuttavat virtauksiin ja sekoittumiseen.

Mittaus ja kaavat. Lämpötilagradientit voidaan määrittää mittaamalla lämpötilatisa korkeuden tai tilanyhdistämispaikoissa ja laskemalla tilallinen derivaatta. Helppoa mittausta varten käytetään termoklappeja, RTD-mittauspisteitä ja infrapunakartoitusta. Fourierin lain mukaan lämpövirta q kulkee vastapäivään gradienttia pitkin: q = -k ∇T, missä k on aineen lämmönjohtavuus ja ∇T on lämpötilagradientti. Monisiirroissa käytetään anisotrooppista lämmönjohtavuus tensoria.

Merkitys ja sovellukset. Lämpötilagradientit ovat keskeisiä suunniteltaessa eristystä, lämmönvaihtimia ja sähkö- sekä rakennusteollisuutta koskevia ratkaisuja. Ne vaikuttavat myös geofysiikassa, meteorologiassa ja meriekologiassa sekä ilmastonmuutoksen mallinnuksessa, missä gradientit ohjaavat konvektiota ja sekoittumista. Hyvin eristetyt järjestelmät pyrkivät pienentämään suuria gradientteja, kun taas käytännön prosesseissa tarkoituksellinen gradientin säätö ohjaa tehokasta lämmönsiirtoa.

---