Bero transferentzia

Bero-transferentzia sistema fisikoen arteko energia termikoaren trukea da. Hala ezagutzen da bera aztertzen duen fisikaren atala ere. Bero transferentzia gertatzen da gradiente termikoa dagoenean, hots, tenperatura-aldaketa bat espazioan. Transferentzia prozesuak irauten du oreka termikoa lortu arte, alegia, sistemen tenperaturak berdindu arte. Prozesuaren iraupena bi sistemen arteko kontaktuaren araberakoa da.

Bero transferentzia modu ezberdinak

Bero-transferentziaren azterketa industria kimikoetan aplikatzen da lurrunketa eta lehorketa bezalako faseetan. Lurruntzea ur kopuru handia kentzean datza; lehortzea, berriz, ur kopuru txikia kentzean; beraz, bero-transferentzia txikiagoa da lehortzeko lurruntzeko baino. Hori gertatzen da bero ezkutua delako bero-transferentziaren ekuazioetan gehien nagusitzen dena. Masa-transferentzia ere bero-transferentziarekin batera dator, aipatutako eragiketetan.

Destilazio zatikatua paketatutako edo erretiluko dorre batean gertatzen da lurrunaren eta eratutako likidoaren arteko kontaktu-eremua handitzeko, beheko osagai ez lurrunkorren likido puruago bat eta goiko likido lurrunkorrago bat kentzeko, baita, elikagaien industrian, pasta lehorra fabrikatzeko eta edari alkoholdunak ekoizteko ere. Bero-transferentziaren kasurik errazenak bero-transferentzia iragankorra eta dimentsio bakarreko egoera egonkorrean dira

Bero transferentzia eta termodinamika

Termodinamika izeneko zientziaren arloak aztertzen du, batetik, beroa eta tenperatura, eta, bestetik, beraien erlazioa energiarekin eta lanarekin. Bero-transferentzia hauteman daiteke sistemetan ematen diren aldaketetak aztertuz. Termodinamikak ikuspuntu makroskopiko batetik aztertzen du sistemen egoera, hainbat aldagai neurtuz, hala nola presioa, tenperatura eta bolumena. Horiek kontuan hartuta jakin daiteke sistemaren barne-energian aldaketarik egon den.

Aldagai makroskopikoak soilik neurtu daitezke sistemaren egoera homogeneoa denean eta orekan badago. Termodinamikak, beraz, oreka egoerak aztertzen ditu, eta oreka-egoera ezberdinen arteko trantsizioetan  transferitutako energia kantitateak zehazten ditu. Hala ere, ez ditu aztertzen transferentzian gertatzen den bero-fluxuaren mekanismoa edo transferentzia-abiadura. Laburbilduz, termodinamikak zehazten du sistema bat egoera batetik bestera pasatzeko eman edo kendu beharreko energia kantitatea, baina ez zenbat denbora behar duen egoera aldatzeko. Hura aztertzeko zientziaren beste adar bat dago: bero-transferentzia.

Bero-transferentzia hiru modutan gerta daiteke: kondukzioz, konbekzioz eta erradiazioz. Konbekzioz, beste bietan ez bezala, masaren desplazamendu bat gertatzen da, tenperatura altuko eskualdetik tenperatura baxukora energia eramanez.

Kondukzioa deritzo kontaktu materiala duten bi punturen artean gertatzen den bero transferentziari. Solidoaren puntu bat berotzean, bertako partikulak azkarrago higitzen hasten dira. Partikula horiek albokoekin talkak egiten dituzte eta haien energiaren parte bat transmititzen diete, eta honela energia termikoa hedatuz doa gorputzean zehar beste puntuetara. Kondukzioan energia termikoa transmititzen da, baina materia ez. Ezinezkoa da bero-transferentzia galarazi, nahiz eta oztopatu daitekeen transferentzia-abiadura. Material guztiak bero-eroaleak dira, eta bakoitzaren eroankortasun-maila materialaren konduktibitate koefizienteak ematen du. Koefiziente horren balio txikia duten materialei isolatzaile deritze.

Fourier-en ekuazioak adierazten du Q bero-transferentzia ratioaren, ${\textstyle \mathrm {T} _{1}-\mathrm {T} _{2}}$  tenperatura-diferentziaren eta R erresistentzia termikoaren arteko erlazioa.

Aldagaien eskema

 

$${\frac {Q}{\Delta \tau }}={\frac {kA}{x}}{\bigl (}\mathrm {T} _{1}-\mathrm {T} _{2})$$

non:

${\frac {Q}{\Delta \tau }}$ denbora unitateko transmititutako beroa den

$k$ konduktibitate termikoa den

$A$ kontaktuan dagoen azalera den

${\textstyle (\mathrm {T} _{1}-\mathrm {T} _{2})}$ foku beroaren eta hotzaren arteko tenperatura aldaketa den

$x$ materialaren lodiera den

Konduktibitate termiko desberdineko adibide gisa beira-zuntza eta zementua ditugu. Beira-zuntza erabilitako material isolatzaile arrunt bat da, haren konduktibitate termikoa 0,035 W/mK  delarik; aldiz, zementua eroale ona da, eta  1,047 W/mK-ko konduktibitate termikoa du.

Konbekzioa fluidoetan (likido eta gasetan) gertatzen da soilik, fluidoaren masen mugimendua behar baitu, tenperatura altuko eskualde batetik beste baxuagoko batera. Konbekzioan beroaren garraioa materia beraren mugimenduari lotuta dago derrigorrez. Konbekzioarekin batera beti gertatzen da kondukzioa, mugitzen ari den fluidoan elkar ukitzen baitute bertako partikulek. 

Erradiazioa gorputzek hutsean heda daitekeen energia igortzearen prozesua da eta transmititutako energiari energia erradiatzaile deritzo. Gorputz guztiek beren tenperaturaren araberako energia irradiatzen dute. Zenbat eta tenperatura altuagoa, orduan eta handiagoa da erradiatzen duten energia. Bakarrik gardena ez den objektu batekin topo egitean bilakatzen da bero. Beltzak dira iristen zaien erradiazioa guztiz xurgatzen dutenak. Aldiz, zuriak dira erradiazioa guztiz islatzen dutenak. Erradiazio bidezko bero transferentzian, garrantzizkoak dira irradiatzen duen gainazalaren hainbat propietate: emisibitatea, absortibitatea, erreflektibitatea eta trasmitibitatea.

Emisibitatea

Gainazal batek igortzen duen erradiazioaren eta tenperatura berean dagoen gorputz beltz batek igorriko lukeenaren arteko erlazioa da. T tenperaturan dagoen gorputz baten A azalerak igorritako P potentzia ondorengoa da.

$$P=\mathrm {A} \varepsilon \sigma \mathrm {T} ^{4}$$

σ konstantea unibertsala da. Bestalde ε, emisibitatea, aztertutako gainazalaren araberako konstante adimentsionala da. Gorputz beltzen kasuan konstante honen balioa batekoa da.

Absortibitatea

Gorputz beltzek erradiazio elektromagnetiko bidez iristen zaien energia osoa xurgatzen dute. Beste edozein gorputzek parte bat baino ez. Absortibitatea, α letraz adierazten delarik, absorbitzen duen frakzioa da.

Erreflektibitatea

Gainazal beltzek heltzen zaien erradiazio guztia xurgatzen dute, baina hauek kasu bereziak dira. Ohikoena da gainazalera heltzen den erradiazioaren zati bat islatzea. Islatzen den erradiazioaren proportzioa da erreflektibitatea, zeinaρ letra grekoaz izendatu ohi den.

Transmitibitatea

Transmitibitatea da gorputza zeharkatzen duen iritsitako erradiazioaren frakzioa. Gainazalak ez du erradiazio hau xurgatzen, ezta islatzen ere. Gorputz opakuentransmitibitatea zero da. 

Isolamendua eta erradiazio-hesiak

Isolatzaile termikoak bero-fluxua murrizteko materialak dira; hauek konduktibitate koefiziente txikia dute. Kasu gehienetan, batezbesteko konduktibitatea jaisteko materialean hutsuneak sortzen dira, airez beterik daudenak. Gasak fluidoak direnez, hutsune barruko gasaren konbekzioa gertatzen da eta baita erradiazioa ere aurrez aurre dauden barne-pareten artean. 

Erradiazio-hesiak erradiazioa islatzen duten materialak dira. Erradiazio-hesi baten eraginkortasuna haren erreflektibitatearen araberakoa da.Erreflektibitate altuko material batek energia xurgatzeko ahalmen txikia du, eta ondorioz emisibitate baxua. Islapen ideiala duen material batek unitate bateko islapen koefizientea du; honek heltzen zaion erradiazioaren %100a islatzen duela esan nahi du. Bestalde, gorputz beltz baten islapen koefizientea nulua da. Ingeniaritza aeroespazialean erradiazio-hesiak sateliteetan erabiltzen dira. Sateliteak aluminizatuko hainbat geruza dituzte, eguzki izpiak islatzen dituztenak. Hauek bero transferentzia gutxitzea eta satelitearen tenperatura kontrolatzea ahalbidetzen dute.

Kanpo estekak

• Datuak: Q179635
• Multimedia: Heat transfer / Q179635