Transfer de căldură
Transfer de căldură, în fizică, un proces prin care energia este schimbată sub formă de căldură între diferite corpuri sau între diferite părți ale aceluiași corp care se află la temperaturi diferite. Transferurile de căldură prin convecție, radiații sau conducție. Deși aceste trei procese pot avea loc simultan, se poate întâmpla ca unul dintre mecanisme să predomine asupra celorlalte două. De exemplu, căldura se transmite prin peretele unei case în principal prin conducție, apa dintr-o cratiță pe un arzător cu gaz este încălzită în mare parte prin convecție, iar Pământul primește căldură de la Soare aproape exclusiv prin radiații.
Căldura poate fi transferată în trei moduri: prin conducție, prin convecție și prin radiații. Conducerea este transferul de căldură printr-un obiect solid: este ceea ce determină încălzirea mânerului unui poker, chiar dacă doar vârful este în foc. Convecția transferă căldura prin schimbul de molecule calde și reci: este cauza că apa dintr-un ceainic este încălzită uniform, chiar dacă doar partea sa inferioară este în contact cu flacăra. Radiația este transferul de căldură prin radiații electromagnetice (de obicei în infraroșu): este mecanismul principal prin care un foc încălzește camera.
La solide, singura formă de transfer de căldură este conducerea. Dacă un capăt al unei tije metalice este încălzit în așa fel încât să-i crească temperatura, căldura este transmisă la capătul mai rece prin conducție. Mecanismul exact de conducere a căldurii în solide nu este pe deplin înțeles, dar se crede că se datorează, parțial, mișcării electronilor liberi care transportă energia atunci când există o diferență de temperatură. Această teorie explică de ce conductorii electrici buni tind, de asemenea, să fie buni conductori ai căldurii. În 1822, matematicianul francez Joseph Fourier a dat o expresie matematică precisă care astăzi este cunoscută sub numele de legea lui Fourier a conducerii căldurii. Această lege prevede că rata de conducere a căldurii printr-un corp pe unitate de secțiune este proporțională cu gradientul de temperatură care există în corp (cu semnul schimbat).
Factorul de proporționalitate se numește conductivitatea termică a materialului. Materialele precum aurul, argintul sau cuprul au conductivități termice ridicate și conduc bine căldura, în timp ce materialele precum sticla sau azbestul au conductivități de sute și chiar de mii de ori mai mici; conduc căldura foarte prost și sunt cunoscuți ca izolatori. În inginerie este necesar să se cunoască viteza de conducere a căldurii printr-un solid în care există o diferență de temperatură cunoscută. Aflarea necesită tehnici matematice foarte complexe, mai ales dacă procesul variază în timp; în acest caz, vorbim de conducție termică tranzitorie. Cu ajutorul computerelor analogice și digitale, aceste probleme pot fi rezolvate acum chiar și pentru corpuri de geometrie complicată.
Dacă există o diferență de temperatură în interiorul unui lichid sau gaz, mișcarea fluidului va avea loc aproape sigur. Această mișcare transferă căldura dintr-o parte a fluidului în alta printr-un proces numit convecție. Mișcarea fluidului poate fi naturală sau forțată. Dacă un lichid sau gaz este încălzit, densitatea acestuia (masa pe unitate de volum) scade de obicei. Dacă lichidul sau gazul se află în câmpul gravitațional, fluidul mai cald și mai puțin dens crește, în timp ce fluidul mai rece și mai dens coboară. Acest tip de mișcare, datorită exclusiv neuniformității temperaturii fluidului, se numește convecție naturală. Convecția forțată se realizează prin supunerea fluidului la un gradient de presiune, forțând astfel mișcarea acestuia conform legilor mecanicii fluidelor.