lämpösiirtoa

Lämpösiirto on energian siirtymistä kappaleiden tai järjestelmien välillä niiden lämpötilojen eron vuoksi. Lämpö siirtyy luonnostaan korkeammasta lämpötilasta matalampaan, ja siirtotapaa säätelevät materiaaleiden ominaisuudet sekä ympäristöolosuhteet. Lämpösiirtoprosessit voidaan jaotella kolmeen päämekanismiin: johtuminen, konvektio ja säteily.

Johtuminen tapahtuu aineen sisällä tai kahden kappaleen kosketuspinnalla, kun lähempänä sijaitsevat partikkelit tai elektronit siirtävät energiaa toisiinsa. Fourierin laki kuvaa johtumista: q = -k ∂T/∂x, jossa q on lämmönvirta, k on materiaalin lämpöjohtavuus ja ∂T/∂x lämpötilagradientti. Materiaalin k määrittää sen kyvyn siirtää lämpöä; metallien k on yleensä korkea, eristeiden matala.

Konvektio on lämmönsiirtöä nesteen tai kaasun virtauksen mukana. Luonnollinen konvektio johtuu lämpötilan aiheuttamista tiheyseroista, pakotettu konvektio taas esimerkiksi ilmastointilaitteiden tai tuulettimien avulla. Newtonin lain mukaisesti jäähdytys voidaan esittää q = hA (Ts - T∞), missä h on konvektiokerroin, A pinta-ala sekä Ts ja T∞ ovat pintalämpötila ja ympäristön lämpötila.

Säteily on lämpösiirtoa sähkömagneettisten aaltojen avulla ja ei vaadi välineellistä materiaalia. Stefan-Boltzmannin laki antaa tehon P = εσA (T^4 - T_env^4), jossa ε on emissivisyys, σ on Stefan-Boltzmannin vakio ja T, T_env lämpötilat kelvinskijoukkiona. Lämpösiirto on näiden mekanismien summa usein monimutkaisissa järjestelmissä.

Lämpösiirto on keskeinen osa rakennusten energia- ja rakennetekniikkaa, teollisia lämmönvaihtimia, elektroniikan jäähdytystä sekä monia energiajärjestelmiä. Sen suunnittelussa käytetään sekä kokeellisia että numeerisia menetelmiä ja tunnuslukuja kuten lämmönjohtavuus, konvektiopolttavuus ja emissivisyys.