Värmeöverföring

Värmeöverföring är processen att överföra termisk energi från regioner med högre temperatur till regioner med lägre temperatur. Den uppstår i fasta ämnen, vätskor och gaser samt mellan olika medier. I tekniska system uppträder ofta flera mekanismer samtidigt, och designen syftar till att kontrollera hastigheten och riktningen av värmeflödet.

Ledning innebär överföring av termisk energi inom ett material eller mellan kroppar som är i kontakt. Den styrs av temperaturgradienter och materialets termiska ledningsförmåga k, och beskrivs ofta med Fourier’s lag: q = -k ∇T eller i förenklad form q'' = -k dT/dx. Tjocka väggar och dålig isolering ökar ledningen, medan hög k och små gradienter minskar den.

Konvektion är överföring mellan en yta och en rörlig fluid. Den beror på fluidens egenskaper och flödeshastighet och beskrivas av konvektionskoefficienten h: q = h A (Ts − Tf). Finns naturlig konvektion och påtvingad konvektion (till exempel av fläktar eller pumpar). Grenarna varierar med geometrin och vätskans egenskaper.

Strålning är överföring av värme genom elektromagnetiska vågor och kräver inget median. Varmeflödet mellan två ytor följer Stefan-Boltzmanns lag: q = ε σ A (T^4 − T_env^4), där ε är emissivitet och σ är Stefan-Boltzmanns konstant. Strålning ökar snabbt med absolut temperatur och kan dominera vid höga temperaturer eller i vakuum.

Totala värmeöverföringen kan behandlas med termisk resistans: Q = ΔT / R_th, där R_th är summan av konduktiva, konvektiva och radiativa motstånd i en given väg. Dessa principer används i byggnader, värmeväxlare, elektronikkyla och många andra tekniska system.