Θερμότητα

Εισαγωγή στη Θερμότητα

Η θερμότητα είναι μια μορφή ενέργειας που μεταφέρεται μεταξύ δύο σωμάτων λόγω διαφοράς θερμοκρασίας. Δεν αποτελεί ιδιότητα ενός σώματος, αλλά περιγράφει τη μεταφορά ενέργειας.

Σημαντική Διάκριση: Η θερμότητα ( $Q$ ) δεν πρέπει να συγχέεται με τη θερμοκρασία ( $T$ ). Η θερμοκρασία είναι μέτρο της κινητικής ενέργειας των μορίων, ενώ η θερμότητα είναι η ενέργεια που μεταφέρεται.

Μονάδες Θερμότητας

Joule (J): Η μονάδα SI για την ενέργεια και τη θερμότητα
Θερμίδα (cal): $1 \text{ cal} = 4,186 \text{ J}$
Κιλοθερμίδα (kcal): $1 \text{ kcal} = 1000 \text{ cal} = 4186 \text{ J}$
BTU (British Thermal Unit): $1 \text{ BTU} = 1055 \text{ J}$

Τρόποι Μεταφοράς Θερμότητας

1. Αγωγή (Conduction)

Η μεταφορά θερμότητας διά μέσου ενός υλικού, χωρίς μετακίνηση της ύλης. Η θερμότητα μεταφέρεται μέσω ταλαντώσεων των μορίων.

Νόμος του Fourier:

$\frac{Q}{t} = \frac{k \cdot A \cdot \Delta T}{d}$

όπου:

$Q/t$ ο ρυθμός ροής θερμότητας (W)
$k$ ο συντελεστής θερμικής αγωγιμότητας (W/m·K)
$A$ η επιφάνεια κάθετη στη ροή ( $m^2$ )
$\Delta T$ η διαφορά θερμοκρασίας (K ή °C)
$d$ το πάχος του υλικού (m)

2. Μεταφορά (Convection)

Η μεταφορά θερμότητας μέσω κίνησης ρευστού (υγρού ή αερίου). Το θερμότερο ρευστό ανεβαίνει και το ψυχρότερο κατεβαίνει, δημιουργώντας ρεύματα μεταφοράς.

Φυσική μεταφορά: Οφείλεται στη διαφορά πυκνότητας λόγω θερμοκρασίας

Εξαναγκασμένη μεταφορά: Επιτυγχάνεται με εξωτερικά μέσα (ανεμιστήρες, αντλίες)

3. Ακτινοβολία (Radiation)

Η μεταφορά θερμότητας μέσω ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας, χωρίς να απαιτείται υλικό μέσο.

Νόμος Stefan-Boltzmann:

$P = \epsilon \sigma A T^4$

όπου:

$P$ η ισχύς ακτινοβολίας (W)
$\epsilon$ ο συντελεστής εκπομπής (0 ≤ ε ≤ 1)
$\sigma = 5,67 \times 10^{-8} \text{ W/(m}^2\text{K}^4)$ η σταθερά Stefan-Boltzmann
$A$ η επιφάνεια ( $m^2$ )
$T$ η απόλυτη θερμοκρασία (K)