Uchumi wa Joto wa Vyakula: Jinsi Joto Huchoka Kati ya Vifaa Vingine Vingine

Ufugaji wa joto ni sifa inayomadini jinsi chombo linaloweza kutumia joto kutoka kwenye nukta moja hadi nukta nyingine bila kusongesha chombo hilo. Inategemea kwa vitu kama muundo, mizizi, na joto la chombo. Katika makala hii, tutaangalia ufugaji wa viti, ambavyo ni maganda yenye ufugaji wa umeme na joto mkubwa, na ukungu mkubwa.

Nini Vitu?

Vitu vilivyotajwa kama maganda yenye muundo wa kristali, ambapo atoms zimewekwa kwa mfano. Atomi zinazokozana na nyuzi zao zinazowekwa karibu na nyuzi. Hata hivyo, baadhi ya atomi za mwisho zinaweza kusonga kote katika chombo, kufanya bahari ya atomi ambayo inaweza kunileta mkondo wa umeme na nishati ya joto.

Vitu vinavyofaa kwa vitu vingi, kama nguvu mkubwa, uwezo wa kuanguka, uvumilivu, usoni, na maelezo. Pia ni wakulima mzuri wa umeme na joto, ambayo inamaanisha wanaweza kutumia aina hizi za nishati kwa urahisi na haraka.

Jinsi Joto Hunawekuliwa Kwenye Vitu?

Uwekuli wa joto ni tabia ya kunyanyasa nishati ya joto kutoka kwenye eneo la joto kubwa hadi eneo la joto ndogo. Kuna njia tatu muhimu za uwekuli wa joto: ufugaji, upasuaji, na radiasi.

Ukubandika ni njia ya kupambana na joto ambayo hutokea katika mivuli, ambapo joto unafuata mkakati wa mtaani kati ya atomi au molekyuli. Ukusambaza ni njia ya kupambana na joto ambayo hutokea katika maji (maji au viwango), ambapo joto unafuata kwa kusonga kwa vikombo vya maji. Utangulizi ni njia ya kupambana na joto ambayo hutokea kwa kutumia maongezi ya elektromagnetiki, kama vile mwanga au utangulizi wa infrared.

Katika viti, kupambana na joto kuhusu kunatokea kwa njia ya ukubandika, tangu viti ni mivuli na yana wengi wa elektroni huru. Elektroni huru wanaweza kusonga kwa uwezo katika chini ya viti na kukutana na elektroni mengine au atomi, kuhamisha nishati ya kinetiki na nishati ya moto. Viti vilivyoelewa zaidi za elektroni huru, vinatoa kwa urahisi zaidi kupambana na joto.

Vyakua gani vinavyosababisha kupambana na joto kwa viti?

Kupambana na joto kwa viti kinategemea vyakua mingi, kama vile:

• Aina na idadi ya elektroni huru: Viti vilivyoelewa zaidi za elektroni huru vinatoa kwa urahisi zaidi kupambana na joto tangu wanaweza kuletea zaidi nishati ya joto. Kwa mfano, chuma ina kupambana na joto kwa urahisi zaidi kati ya viti, ikifuatiwa na mweu na dhahabu.

• Mvuto na ukubwa wa atomi: Viti vilivyoelewa zaidi za atomi mahiri na makubwa vinatoa chache kupambana na joto tangu wanapungua haraka na kuzuia mzunguko wa elektroni huru. Kwa mfano, chuma ina kupambana chache na joto kati ya viti.

• Mfumo wa kristali na matarajio: Viti vilivyoelewa zaidi za mfumo wa kristali wa kutosha na kombo unaopambana na joto kwa urahisi zaidi tangu wanaweza kushindwa kwa uwezo wa mzunguko wa elektroni. Kwa mfano, viti vilivyoelewa zaidi za mfumo wa cubic unaopambana na joto kwa urahisi zaidi kuliko viti vilivyoelewa zaidi za mfumo wa hexagonal. Matarajio kama vile impurities, vacancies, au dislocations pia yanaweza kupunguza kupambana na joto kwa viti kwa kuteketeza elektroni.

• Joto: Kupambana na joto kwa viti kina badilika kwa joto kwa njia tofauti kulingana na msingi wa njia ya kupambana na joto. Kwa viti safi na muunganisho, kupambana na joto ni kwa uwezo wa elektroni huru (electronic conduction). Tangu joto kinaongezeka, idadi ya elektroni huru na lattice vibrations zinazongezeka. Hivyo, kupambana na joto kwa viti kinaongezeka kidogo kwa kuongezeka la joto. Kwa insulators na semiconductors, kupambana na joto ni kwa uwezo wa lattice vibrations (phononic conduction). Tangu joto kinaongezeka, lattice vibrations zinazongezeka sana na kuteketeza elektroni zaidi. Hivyo, kupambana na joto kwa insulators na semiconductors kinaongezeka haraka kwa kuongezeka la joto.

Nini ni Sheria ya Wiedemann-Franz?

Sheria ya Wiedemann-Franz ni ushirikiano unaoelezea upambanaji wa umeme na kupambana na joto kwa viti kwenye joto fulani. Inaelezea kwamba:

σK=LT

Kwenye,

• K ni ufanisi wa joto katika W/m-K

• σ ni ufanisi wa umeme katika S/m

• L ni namba ya Lorenz, ambayo ni sababu moja sawa na 2.44 x 10^-8 W-ohm/K^2

• T ni joto la awali katika K

Sheria hii ina maana ya kuwa viti vilivyovuliwa na ufanisi mkubwa wa umeme pia vina ufanisi mkubwa wa joto kwa sababu mizizi yote yanadhariki kwa ajili ya elektron zinazokuwa huru. Ina maana pia ya kuwa uwiano wa ufanisi wa joto kwa ufanisi wa umeme unaweza kupanuliwa kwa joto la viti.

Hata hivyo, sheria hii ina chanzo chake cha mapitio. Inapendekezwa tu kwa viti safi na mizizi wakati wa joto la juu sana au chini sana. Haisitekani kwa insalatori au semikonduktori, ambapo usambazaji wa sauti unaelekea zaidi kuliko usambazaji wa umeme. Pia haitekani baadhi ya viti, kama vile beryllium au silver safi, ambavyo vinategemea kutoka hii.

Ni Nini Thamani za Ufanisi wa Joto kwa Baadhi ya Viti Vijijini?

Ufanisi wa joto wa viti unabadilika kwa wingi kulingana na aina na utafiti wa vita. Meza ifuatayo inaonyesha baadhi ya thamani za ufanisi wa joto kwa baadhi ya viti vijijini wakati wa joto la nyumba (25°C).

Kama tunavyoona, chumvi ina ufanisi wa kuvutia joto ulio juu zaidi kati ya viti, ikifuatiwa na copper na dhahabu. Viti haya yanatumika sana katika elektrolanji na matumizi ya umeme, kwa sababu zinaweza kutumia joto na umeme kwa ufanisi. Ukweli ni kwamba lead una ufanisi wa kuvutia joto ulio chini zaidi kati ya viti, ambayo hii kunafanya iwe inapatikana kwa ajili ya kutengeneza na kutumia kama king'oro.

Ufanisi wa kuvutia joto wa viti unaweza pia kubadilika kulingana na joto, pressure, muundo, na mizizi. Kwa mfano, alloys (mischana ya viti) mara nyingi wanaweza kuwa na ufanisi wa kuvutia joto ulio chini zaidi kuliko viti safi, kutokana na uwepo wa vibaya na majanga yanayovutia electrons. Kwa njia hiyo, viti vilivyotumika na mizizi tofauti au phases zinaweza kuwa na maalum ya ufanisi wa kuvutia joto.

Jinsi ya Kutathmini Ufanisi wa Kuvutia Joto wa Viti?

Kuna njia nyingi na zana za kutathmini ufanisi wa kuvutia joto wa viti, kulingana na muundo, ukubwa, na joto la sampuli. Baadhi ya njia za kawaida ni:

• Njia za steady-state: Njia hizi zinajumuisha kutumia heat flux wa kawaida flux kwenye upande wa moja wa sampuli na kutathmini tofauti ya joto iliyopata kwenye sampuli. Ufanisi wa kuvutia joto unaweza kutathmini kutumia sheria ya Fourier ya heat conduction. Mifano ya njia za steady-state ni guarded hot plate, heat flow meter, na divided bar.

• Njia za transient: Njia hizi zinajumuisha kutumia heat pulse fupi kwenye upande wa moja wa sampuli na kutathmini tofauti ya joto kwa muda kwenye upande huo au upande wa kusini. Ufanisi wa kuvutia joto unaweza kutathmini kutumia models za analytical au numerical za heat transfer. Mifano ya njia za transient ni hot wire, laser flash, na transient plane source.

• Njia za non-contact: Njia hizi zinajumuisha kutumia heat source au temperature sensor ambaye haukiingia kwenye sampuli, bali hutumia electromagnetic radiation au acoustic waves kutengeneza au kutathmini heat transfer. Ufanisi wa kuvutia joto unaweza kutathmini kutumia optical au acoustic properties za sampuli. Mifano ya njia za non-contact ni photothermal radiometry, thermal wave imaging, na ultrasound thermometry.

Kila njia ina faida yake na changamoto zake, kulingana na accuracy, precision, speed, gharama, na applicability ya utathmini. Kwa hivyo, ni muhimu kutagua njia na zana sahihi kwa kila kesi kamili.

Nini Ufanisi wa Kuvutia Joto wa Viti Unahitaji?

Ufugaji wa joto wa zana ni muhimu kwa nyingi ya matumizi ya uhandisi na sayansi, kama vile:

• Mifugaji ya joto: Hii ni vifaa vinavyotumika kutumia joto kati ya majaribio au vitu vingine bila kuwakusanya. Vinatumika sana katika sekta kama upatikanaji wa nguvu, usimamizi wa viambishi, mafuniko, na mpano la hewa. Ufugaji wa joto wa zana unaathiri ufanisi na uwezo wa mifugaji ya joto, kwa sababu unahusu ni chache na haraka joto kinaweza kutumika.

• Usimamizi wa joto: Hii ni mchakato wa kudhibiti joto na kutumia joto vifaa au mfumo unayotokana na joto. Ni muhimu kwa ajili ya kupitisha ulinzi na uhakika wa vifaa vya kidijitali, batilari, myengi, reaktori, na ndege za kukimbilia anga. Ufugaji wa joto wa zana unaathiri uanachama na chaguo la viunduni na vifaa kwa usimamizi wa joto, kwa sababu unahusu ni chache na haraka joto kinaweza kutumika au kuhifadhiwa.

• Vifaa vya thermoelectric: Hivi ni vifaa vinavyotumika kutumia joto kwenye umeme au upande mzuri kwa kutumia Seebeck effect au Peltier effect. Vinatumika kwa matumizi kama upatikanaji wa nguvu, ukimbia, ukale, na kutambua. Ufugaji wa joto wa zana unaathiri ufanisi na uwezo wa vifaa vya thermoelectric, kwa sababu unahusu ni chache joto kinaweza kutumika au kutoka wakati wa mabadiliko.

Mwisho

Ufugaji wa joto ni sifa inayompa kujua ni chache na haraka material inaweza kutumia joto bila kutumia mwenyewe. Zana ni vikapu vina ufugaji wa umeme na joto mkubwa, ambayo huwasilishwa na electrons wazazi katika utambulisho wao. Ufugaji wa joto wa zana huongezeka kwa sababu kama aina, safi, joto, pesho, muundo, na utambulisho. Kuna njia tofauti na zana za kutathmini ufugaji wa joto wa zana, kulingana na muundo, saizi, na joto la sampuli. Ufugaji wa joto wa zana ni muhimu kwa nyingi ya matumizi ya uhandisi na sayansi, kama mifugaji ya joto, usimamizi wa joto, na vifaa vya thermoelectric.

Taarifa: Respect the original, good articles worth sharing, if there is infringement please contact delete.