תיאוריות של העברת חום

הפיזיקה מתארת העברת חום או את תנועת אנרגיית החום בשלוש דרכים. אלה הולכה, הסעה וקרינה.

טמפרטורה גבוהה יותר מציינת אנרגיה קינטית גבוהה יותר

כשיש הבדל טמפרטורה בתוך פיסת חומר, החום מהחלק שיש לו טמפרטורה גבוהה יזרום לחלק עם הטמפרטורה הנמוכה יותר. זה ידוע בתור תיאוריית ההולכה הכללית של העברת חום. טמפרטורה גבוהה יותר מציינת אנרגיה קינטית גבוהה יותר - האטומים בחלק החומר החם יותר נעים מהר יותר. אלו אטום זזו מהר יתנגש טבעיים עם אלה נעים איטיים בחלק מהחומר כי הוא קר. התוצאה היא שהאטומים הנעים במהירות מאבדים אנרגיה והאטים הנעים צוברים אנרגיה. כל תהליך העברת האנרגיה הזה הוא העברת חום הולכה.

התיאור המתמטי של תופעה זו גובש על ידי הפיזיקאי הצרפתי ג'וזף פורייה והמשוואה נקראת חוק פורייה. משוואה זו קובעת כי ניתן לקבוע את קצב העברת החום בהתחשב בפרופיל הטמפרטורה של החומר ומוליכותו התרמית. פרופיל טמפרטורה מתייחס להפרש הטמפרטורות. מוליכות תרמית לעומת זאת מבוססת במידה רבה על סוג החומר המשמש ותכונותיו הפיזיקליות. ישנם חומרים כגון חוטי מתכת נחושת המאפשרים בקלות ובמהירות לזרום חום דרכה וכך גם מוליכים תרמיים טובים. מבודדים תרמיים מתייחסים לחומרים בעלי מאפיין הפוך ודוגמאות הן פיברגלס או גומי. ממדים פיזיים משפיעים ישירות על מוליכות תרמית. העברת אנרגיה תיקח זמן רב יותר באופן טבעי גדולים או חומרים לא סדירים בצורה בהשוואה ל קטנים חומרים, יעיל או בצורה סימטרית.

בעוד שההולכה עוסקת באנרגיה הקינטית של אטומים ומשמשת כתיאור כללי של העברת חום, הסעה היא על תנועת חום וחומר מאזור טמפרטורה גבוהה לנמוך. העברת חום הסעה כרוכה את תכונות הלחץ והצפיפות. כאשר מחממים חומר הוא בדרך כלל הופך להיות פחות צפוף ומבחינת גזים ונוזלים, זה משפיע על הציפה שלהם. סיר מים רותח הוא דוגמה פשוטה להעברת חום הסעה. המים בתחתית הסיר הם הראשונים להתחמם, הופכים פחות צפופים ועולים אל פני השטח ומייצרים בועות. המים בחלקם העליון, כשהם קרים ובכל זאת צפופים יותר, שוקעים לתחתית הסיר ומחוממים בתורם. מה שקורה אז הוא זרימה רציפה של חום וחומר בין אזורים חמים וקרים. זרימה זו נקראת זרמי הסעה.

קרינה היא על העברת חום ללא אמצעי התערבות. הן בהולכה והן בהסעה, חומר מחומם עובר מאזור אחד למשנהו או אנרגיית חום זורמת בתוך חומר. אולם עם קרינה האנרגיה של החום עוברת בחלל ריק בעיקר. מה שזורם או מקרין אינו בהכרח אנרגיה בצורת חום אם כי בתחילה זה היה כך. כאשר אתה מדליק גפרור, החום יוצר אור, ואור הוא סוג של אנרגיה שיכולה לנוע כחלקיק או כגל ולהכות כל חומר על פני מרחק. כך העברת האנרגיה מתרחשת גם אם חומר אינו מחובר ישירות למקור החום.