Hővezetés

A hővezetés vagy konduktív hőátadás a hőátadás olyan formája, amely a szilárd vagy nyugalomban lévő (nem áramló) folyékony vagy légnemű halmazállapotú rendszerekben, hőmérséklet-különbség hatására jön létre. A hőáramlástól (konvektív hőátadás) abban tér el, hogy nem történik anyagáramlás, hanem a hőátadás a belső energia részecskéről részecskére való átadásával történik.

Hővezetés a termodinamika második főtétele szerint önként mindig a nagyobb hőmérsékletű hely felől a kisebb hőmérsékletű hely felé történik, azaz a hőmérsékleti gradiens irányában. Az energia-megmaradás törvénye értelmében hő a hővezetés során sem tűnhet el vagy semmisülhet meg.

A hővezetés transzportjelenség

Tapasztalatból ismerjük, hogy ha a rendszeren belül például a hőmérséklet pontról pontra nem azonos, akkor önként olyan folyamat indul el, hogy a hőmérséklet kiegyenlítődjék. Hő áramlik a nagyobb hőmérsékletű helyről a kisebb felé. E transzportjelenség neve a hővezetés. Transzportjelenség fogalmán a rendszer valamely extenzív fizikai mennyiségnek, a tér egyik részéből egy másik részébe történő eljutását, szállítását értjük. A hővezetés, vezetéssel létrejövő energiatranszport, a hőterjedés olyan formája, amelynél a terjedés irányában makroszkopikus anyagáramlás nincs.

Áram, hajtóerő, fluxus

A hőtranszport (vezetés, szállítás) során tehát Q hőenergia (extenzív fizikai mennyiség, tömegtől függő) árama alakul ki a hőmérséklet (intenzív fizikai mennyiség), gradiensének, mint termodinamikai „hajtóerőnek” a hatására.

Hőáram fogalma alatt (J_Q) valamely hővezető anyagban, adott keresztmetszeténél a hőmennyiség időegységre eső megváltozását értjük. Ha ezt az áramlás keresztmetszetére (A) – azaz keresztmetszetegységre – vonatkoztatjuk, a hőáramsűrűséget (j_Q) kapjuk. A különféle áramsűrűségeknek gyakran használatos másik megnevezése a fluxus. Vagyis az áram és az áramsűrűség definíció szerint:

$J_Q = \frac{\mathrm{d}Q}{\mathrm{d}t} \ ,$ illetve $j_{Q} = \frac {J_Q}{A}=\frac{\mathrm{d}Q}{A\mathrm{d}t} \ .$

Fourier-törvény

Jean Baptiste Joseph Fourier (1768-1830) francia matematikus és fizikus

Két, párhuzamos, egymástól dx távolságra lévő, dT hőmérséklet-különbségű szilárd falfelület között kialakuló hőáramsűrűség nagyságát matematikailag elsőként Jean Baptiste Joseph Fourier fogalmazta meg 1822-ben hosszú vékony rúdra, melynél a jelenség egydimenziós. Az egyenlet az egydimenziós stacionárius hővezetés alapegyenlete:

$j_{Q} = -\lambda\frac{\mathrm{d}T}{\mathrm{d}x}.$

Általános, térbeli test és térbeli hőmérsékleteloszlás esetében:

$j_{Q} = -\lambda\cdot|\mathrm{grad}(T)|\ .$

A kifejezésben λ az illető anyag hővezetési tényezője, W/m·K egységben.

Véges változás esetén, a kialakuló hőáramsűrűség egyenesen arányos a hőmérséklet-különbséggel és a szilárd test anyagi minőségére jellemző hővezetési tényezővel és fordítva arányos a távolsággal:

$j_{Q} = {\frac{\lambda}{x}} (T_{1}-T_{2}) \ .$

Források

• Pattantyús Gépész- és Villamosmérnökök Kézikönyve 2. kötet. Műszaki Könyvkiadó, Budapest, 1961.
• dr. Harmata András: Termodinamika műszakiaknak. Műszaki Könyvkiadó, Budapest, 1982. ISBN 963-10-4467-X

Kapcsolódó szócikkek

• Hőmérséklet-vezetési tényező
• Transzportjelenség