Lämpövirtaus

Lämpövirtaus tarkoittaa lämpöenergian siirtymistä kappaleen tai järjestelmän osien välillä lämpötilaerojen vuoksi. Ilmiö voidaan jakaa kolmeen perusmekanismiin: johtuminen, konvektio ja säteily. Johtuminen tapahtuu, kun lämpöenergia siirtyy materiaalin sisällä tai rajapinnassa lämpötilagradientin vaikutuksesta. Konvektio on lämpösiirtoa nesteen tai kaasun virtauksessa; se voi olla luonnollista (lämpötilaerot aiheuttavat virtausta) tai pakotettua. Säteily on lämpöä, joka siirtyy sähkömagneettisena säteilynä ilman välikappaletta; se on merkittävä erityisesti suurissa lämpötiloissa ja suurilla etäisyyksillä.

Johtuminen: Fourierin laki kuvaa lämpövirran tiheyttä q"; se on q" = -k ∇T, jossa k on aineen lämpöjohtavuus (W/mK) ja ∇T lämpötilagradientti. Yhden ulottuvuuden tapauksessa q" = -k dT/dx ja lämpövirta Q = q" A.

Konvektio: q" = h (T_s - T∞), missä h on konvektiokerroin (W/m^2K), T_s pintalämpötila ja T∞ ympäristön lämpötila. Konvektio voi olla luonnollista tai pakotettua.

Säteily: q" = ε σ (T^4 - T_s^4), jossa ε emissiviteetti, σ Stefan-Boltzmannin vakio (noin 5,670×10^-8 W/m^2K^4).

Käytännössä lämpövirta voidaan usein huomioida yhdistelmänä: Qdot = Qdot_cond + Qdot_conv + Qdot_rad. Rakennusalalla sekä teollisuudessa käytetään lämpövastuksia (R-arvot) ja eristystä energiatehokkuuden suunnittelussa. Lämpövirtaus on keskeinen osa termistä tasapainoa ja lämmönhallintaa monissa sovelluksissa.