هنگامی که یک بلوک آلومینیوم داغ در آب دمای اتاقی غوطه ور می شود چه اتفاقی می افتد؟اما اين پديده معمولي اصول عميق ترموديناميکي را که بر جهان فيزيکي ما حاکم است پنهان مي کند.
ترمودینامیک می گوید که گرما به طور خود به خود از مواد گرم تر به مواد سرد تر منتقل می شود تا زمانی که تعادل به دست آید.یک بلوک آلومینیومی ۳۵ گرم را در دمای ۱۰۰ درجه سانتیگراد (۲۱۲ درجه فارنهایت) که در ۹۰ گرم آب در دمای ۲۵ درجه سانتیگراد (۷۷ درجه فارنهایت) قرار داده شده است در نظر بگیریدآلومینیوم انرژی حرارتی را به آب می دهد، خود را خنک می کند و محیط مایع خود را گرم می کند تا هر دو به دمای یکسان برسند.
در شرایط آزمایشگاهی کنترل شده با استفاده از ظروف عایق، ما این تبادل انرژی را با وضوح بیشتری مشاهده می کنیم.9 J/g°C) به طور چشمگیری کمتر از آب است (4این بدان معنی است که آب برای تغییر درجه حرارت یک درجه نیاز به ۴٫۶۷ برابر انرژی بیشتر از آلومینیوم دارد.آلومینیوم در طول تبادل گرما نوسانات دما بیشتری نسبت به آب نشان می دهد..
این تفاوت حرارتی توضیح می دهد که چرا مقادیر متوسط فلز داغ می تواند به طور قابل توجهی بر حجم آب بزرگتر تأثیر بگذارد.ساختار مولکولی آب - با اتصال گسترده هیدروژن - باعث می شود که در جذب و نگهداری انرژی حرارتی بسیار کارآمد باشد.
استفاده از اصول حفظ انرژی امکان پیش بینی دقیق دمای را فراهم می کند. گرما از دست رفته توسط آلومینیوم برابر با گرما به دست آمده توسط آب است:
35g × 0.9 J/g°C × (100°C - T) = 90g × 4.2 J/g°C × (T - 25°C)
حل این معادله دمای تعادل را در حدود 27.7 درجه سانتیگراد (81.9 درجه فارنهایت) نشان می دهد.نتیجه نشان دهنده تسلط حرارتی آب است - ظرفیت حرارت بالا آن باعث می شود دمای نهایی نزدیک به حالت اولیه آب با وجود دمای شروع آلومینیوم باشد.
این اصول در سراسر محیط ساخته شده ما آشکار می شود. سیستم های گرمایش انرژی حرارتی را از رادیاتورها به هوا از طریق هدایت و محرک انتقال می دهند.چرخه های خنک کننده گرما را از فضاهای بسته خارج می کنندفرآیند پخت و پز به انتقال گرمای متوالی از منابع گرما از طریق ظروف آشپزی به مواد غذایی بستگی دارد.
کاربردهای صنعتی زیادی در تولید برق وجود دارد، جایی که حرارت احتراق بخار را برای حرکت توربین ها ایجاد می کند.تولید مواد شیمیایی با استفاده از سیستم های گرمایش و خنک سازی دقیق، دمای واکنش را به دقت تنظیم می کند.
- مساحت سطح:سطح تماس گسترده انتقال انرژی را تسریع می کند
- رسانایی حرارتی:مواد مانند مس از عایق ها بهتر عمل می کنند
- گرادیان درجه حرارت:تفاوت های بیشتر باعث تعادل سریعتر می شود
گرما از طریق سه مکانیسم اصلی حرکت می کند: رسانایی (انتقال مستقیم مولکولی) ، کنوکشن (انتقال واسطه مایع) و تشعشع (انتقال موج الکترومغناطیسی).هر حالت در سناریوهای مختلف غالب است - از گرم کردن قوری تا از دست دادن گرما سیاره ای.
سیستم ساده آلومینیوم-آب حقیقت های جهانی ترمودینامیکی را که بر توزیع مجدد انرژی حاکم است نشان می دهد.درک این اصول، پیشرفت های تکنولوژیکی را از خنک سازی الکترونیک کارآمد تا طراحی پایدار ساختمان امکان پذیر می کند.همانطور که ما زبان حرارتی طبیعت را رمزگشایی می کنیم، ما قدرت بهینه سازی مصرف انرژی در کاربردهای بی شماری را به دست می آوریم.