Przewodzenie ciepła: zadania z rozwiązaniami krok po kroku

Inaczej: prawo Fouriera · opór cieplny · współczynnik przenikania ciepła

Darmowe zadania z tematu Przewodzenie ciepła z rysunkami, podpowiedziami i pełnymi rozwiązaniami. Za każdym razem nowe wartości, na trzech poziomach: ściana jednowarstwowa, ściana wielowarstwowa, ściana z konwekcją.

Darmowe zadanieŁatwy
Styropian, k = 0,03510 mm24 °C-11 °CQ̇ = ?

Ściana (styropian) ma grubość 10 mm i pole 6 m². Jej powierzchnie mają temperatury 24 °C i -11 °C. Wyznacz strumień ciepła przewodzonego Q̇ przez ścianę.

k = 0,035 W/(m·K)L = 10 mmA = 6 m²T1 = 24 °CT2 = -11 °C
W
Następne zadanie →

Co ćwiczysz

  1. Łatwyściana jednowarstwowa
  2. Średniściana wielowarstwowa
  3. Trudnyściana z konwekcją

Najważniejsze wzory

Prawo Fouriera
Q̇ = kAΔT/L
Opór cieplny przewodzenia
R = L/(kA)
Opór cieplny konwekcji
R = 1/(hA)
Opory szeregowo
Q̇ = ΔTtotal/ΣR
Współczynnik U
U = 1/(ΣR·A)

Naucz się tematu Przewodzenie ciepła od zera

1Czym jest przewodzenie ciepła

Ciepło zawsze płynie od gorącego do zimnego. W ciele stałym przemieszcza się przez przewodzenie: szybko drgające cząstki po ciepłej stronie przekazują energię sąsiadom.

W zimowy dzień ciepło ucieka z ogrzanego pokoju przez ściany w ten sposób. Ile go ucieka, zależy od różnicy temperatur, pola ściany, jej grubości i materiału.

Materiały bardzo się różnią. Współczynnik przewodzenia ciepła k, w W/(m·K), mówi, jak łatwo przechodzi przez nie ciepło:

  • Beton: około 1,4 W/(m·K). Cegła: około 0,72.
  • Drewno: około 0,17.
  • Wełna mineralna: około 0,04. Polistyren ekspandowany: około 0,035.

Niskie k oznacza dobry izolator. Dlatego domy mają warstwę wełny lub pianki wewnątrz ściany.

W tym temacie temperatury nie zmieniają się w czasie. Nazywa się to przewodzeniem ustalonym.

Samosprawdzenie Która ściana przepuszcza najmniej ciepła, jeśli wszystkie mają grubość 100 mm?
  1. Beton (k = 1,4)
  2. Cegła (k = 0,72)
  3. Drewno (k = 0,17)
  4. Wełna mineralna (k = 0,04)

Odpowiedź: Wełna mineralna (k = 0,04). Strumień ciepła jest proporcjonalny do k. Wełna mineralna ma zdecydowanie najniższy współczynnik przewodzenia, więc izoluje najlepiej.

2Prawo Fouriera i opór cieplny

Dla płaskiej ściany o grubości L i polu A, której powierzchnie mają temperatury T1 i T2, strumień ciepła w watach podaje prawo Fouriera:

Q̇ = k · A · (T1 − T2) / L
kLT1​T2​Q̇

Temperatura maleje liniowo w głąb ściany. Gęstość strumienia ciepła to strumień na metr kwadratowy: q″ = Q̇ / A, w W/m².

Pomaga myśleć o ścianie jak o rezystorze, tak jak w obwodzie elektrycznym. Różnica temperatur napędza ciepło, a ściana mu się opiera:

Q̇ = ΔT / R R = L / (k · A)

Opór cieplny R wyraża się w K/W. Grubsza ściana lub mniejsze k daje większy opór i mniejsze straty ciepła. Różnica temperatur w °C ma tę samą wartość w K.

Samosprawdzenie Betonowa ściana (k = 1,4 W/(m·K)) ma grubość 200 mm i pole 10 m². Jej powierzchnie mają temperatury 20 °C i 0 °C. Ile wynosi strumień ciepła?
  1. 0,0007 W
  2. 1,4 W
  3. 140 W
  4. 1400 W

Odpowiedź: 1400 W. Q̇ = 1,4 · 10 · 20 / 0,2 = 1400 W. Użycie L = 200 (mm) daje 1,4 W, a pominięcie pola daje 140 W.

3Ściany wielowarstwowe

Rzeczywista ściana ma warstwy: cegłę, izolację, płytę gipsowo-kartonową. To samo ciepło przechodzi przez każdą warstwę po kolei, więc warstwy są oporami połączonymi szeregowo. Dodaj je:

Rtotal = R1 + R2 + … Q̇ = (Tin − Tout) / Rtotal

Każda warstwa przejmuje część całkowitego spadku temperatury proporcjonalną do swojego oporu: ΔT1 = Q̇ · R1. Warstwa izolacji przejmuje największy spadek.

Powietrze przy ścianie również stawia opór cieplny. Ten opór konwekcji wynosi R = 1/(h · A), gdzie h jest współczynnikiem przejmowania ciepła w W/(m²·K). Dodaj go szeregowo jak warstwę.

Współczynnik przenikania U opisuje całą ścianę, razem z warstwami powietrza, jako strumień ciepła na m² na kelwin:

U = 1 / (Rtotal · A) Q̇ = U · A · ΔT

4Metoda krok po kroku

  1. Narysuj ścianę z jej warstwami. Zapisz każdą grubość w metrach i obok niej każde k.
  2. Oblicz opór każdej warstwy: R = L/(k·A). Jeśli po którejś stronie jest powietrze, dodaj dla tej strony R = 1/(h·A).
  3. Zsumuj wszystkie opory połączone szeregowo.
  4. Oblicz strumień ciepła: Q̇ = (całkowita różnica temperatur) / Rtotal.
  5. Aby znaleźć temperaturę wewnątrz ściany, zacznij od znanej temperatury i odejmij Q̇ · R za każdą przekraczaną warstwę.

Dobre sprawdzenie: spadki temperatury na wszystkich warstwach muszą sumować się do całkowitej różnicy temperatur.

5Przykład krok po kroku

Przejdź przez każdy krok. Spróbuj przewidzieć następny, zanim go odsłonisz.

Przykład krok po kroku

Ściana składa się z 200 mm cegły (k = 0,72 W/(m·K)) i 50 mm wełny mineralnej (k = 0,04 W/(m·K)) i ma pole 10 m². Zewnętrzne powierzchnie mają temperatury 20 °C i 0 °C. Wyznacz strumień ciepła przez ścianę i temperaturę na styku warstw.

1

Narysuj ścianę

k = 0,72200 mmk = 0,0450 mm20 °CTi​ = ?0 °CQ̇

Ciepło płynie ze strony 20 °C przez cegłę, potem przez wełnę, na stronę 0 °C.

2

Opór każdej warstwy

R1 = 0,200 / (0,72 · 10) = 0,0278 K/W
R2 = 0,050 / (0,04 · 10) = 0,125 K/W

Cienka warstwa wełny stawia znacznie większy opór niż gruba warstwa cegły.

3

Opór całkowity i strumień ciepła

Rtotal = 0,0278 + 0,125 = 0,1528 K/W
Q̇ = (20 − 0) / 0,1528 = 130,9 W
4

Temperatura na styku

Zacznij od ciepłej powierzchni i przejdź przez cegłę:

Ti = 20 − Q̇ · R1 = 20 − 130,9 · 0,0278 = 16,4 °C
5

Sprawdź wynik

Spadek na wełnie wynosi 130,9 · 0,125 = 16,4 K, od 16,4 °C do 0 °C. Oba spadki, 3,6 K + 16,4 K, sumują się do pełnych 20 K.

Odpowiedź

Q̇ ≈ 131 W, a na styku warstw jest Ti ≈ 16,4 °C.

6Typowe błędy

  • Pozostawienie grubości w mm. Wartości k są na metr, więc L musi być w metrach.
  • Uśrednianie wartości k dwóch warstw albo ich dodawanie. Zamiast tego dodaj opory L/(k·A).
  • Pominięcie pola: R = L/(k·A) dla całej ściany, R = L/k dla jednego metra kwadratowego.
  • Zaczynanie od złej strony przy wyznaczaniu temperatury na styku. Temperatura zawsze maleje w kierunku przepływu ciepła.
  • Pominięcie warstw powietrza (1/(h·A)), gdy podane są temperatury powietrza wewnątrz i na zewnątrz.
Samosprawdzenie Jeden metr kwadratowy ściany ma 100 mm wełny mineralnej (k = 0,04) i 100 mm cegły (k = 0,72). Powierzchnie różnią się o 20 K. Ile wynosi strumień ciepła?
  1. 152 W
  2. 38 W
  3. 7,6 W
  4. 8 W

Odpowiedź: 7,6 W. R = 0,1/0,04 + 0,1/0,72 = 2,5 + 0,139 = 2,64 K/W, więc Q̇ = 20/2,64 = 7,6 W. Uśrednienie k daje 38 W, a pominięcie cegły daje 8 W.

7Jak wyglądają zadania egzaminacyjne

  • Łatwe: pojedyncza ściana. Wyznacz strumień ciepła Q̇ lub gęstość strumienia ciepła q″ z prawa Fouriera.
  • Średnie: ściana złożona z dwóch warstw. Wyznacz strumień ciepła lub temperaturę Ti na styku warstw.
  • Trudne: ściana z konwekcją po obu stronach, między powietrzem w pomieszczeniu a powietrzem na zewnątrz. Wyznacz współczynnik U, straty ciepła lub temperaturę Ts wewnętrznej powierzchni.

Aby znaleźć temperaturę wewnętrznej powierzchni, zacznij od powietrza w pomieszczeniu i przejdź tylko przez wewnętrzną warstwę powietrza: Ts = Troom − Q̇ / (hi · A).

Przykład: powyższa ściana przy h = 8 W/(m²·K) wewnątrz i 25 W/(m²·K) na zewnątrz ma Rtotal = 0,0125 + 0,1528 + 0,004 = 0,1693 K/W, więc U = 1/(0,1693 · 10) = 0,59 W/(m²·K).

Ucz się krok po kroku w aplikacjiUcz się krok po kroku w aplikacji

Przykłady z rozwiązaniami

Przykład 1Łatwy
Drewno, k = 0,17150 mm20 °C-9 °CQ̇ = ?

Ściana (drewno) ma grubość 150 mm i pole 6 m². Jej powierzchnie mają temperatury 20 °C i -9 °C. Wyznacz strumień ciepła przewodzonego Q̇ przez ścianę.

k = 0,17 W/(m·K)L = 150 mmA = 6 m²T1 = 20 °CT2 = -9 °C

Oblicz Q̇ (W)

Pokaż podpowiedzi
  1. Prawo Fouriera dla ściany płaskiej: Q̇ = k·A·ΔT/L.
  2. Przelicz grubość na metry, aby jednostki k się zgadzały.
  3. ΔT = 29 K.
Pokaż odpowiedź i rozwiązanie krok po kroku

Opór cieplny: ustalony przepływ ciepła przez warstwy połączone szeregowo zachowuje się jak prąd w rezystorach szeregowych: Q̇ = ΔT/ΣR, gdzie R = L/(kA) dla warstwy przewodzącej i R = 1/(hA) dla powierzchni z konwekcją. Spadek temperatury na każdej warstwie jest proporcjonalny do jej oporu.

Prawo Fouriera

ΔT = 20 − (-9) = 29 K
Q̇ = kAΔT/L = 0,17·6·29/(150/1000) = 197,2 W

Odpowiedź

Q̇ = 197,2 W
Przykład 2Średni
Wełna mineralna, k = 0,0450 mmDrewno, k = 0,1750 mm25 °C5 °CTi​ = ?Q̇

Ściana składa się z 50 mm (wełna mineralna) i 50 mm (drewno), a jej pole wynosi 12 m². Powierzchnie zewnętrzne mają 25 °C i 5 °C. Wyznacz temperaturę Ti na styku dwóch warstw.

L1 = 50 mm, k1 = 0,04 W/(m·K)L2 = 50 mm, k2 = 0,17 W/(m·K)A = 12 m²T1 = 25 °CT3 = 5 °C

Oblicz Ti (°C)

Pokaż podpowiedzi
  1. Każda warstwa to opór cieplny R = L/(kA). Szeregowo opory się sumują.
  2. Przez obie warstwy płynie ten sam Q̇, więc Ti = T₁ − Q̇·R₁.
  3. R1 + R2 = 0,1287 K/W.
Pokaż odpowiedź i rozwiązanie krok po kroku

Opór cieplny: ustalony przepływ ciepła przez warstwy połączone szeregowo zachowuje się jak prąd w rezystorach szeregowych: Q̇ = ΔT/ΣR, gdzie R = L/(kA) dla warstwy przewodzącej i R = 1/(hA) dla powierzchni z konwekcją. Spadek temperatury na każdej warstwie jest proporcjonalny do jej oporu.

Opory warstw

R1 = L1/(k1A) = (50/1000)/(0,04·12) = 0,1042 K/W
R2 = L2/(k2A) = (50/1000)/(0,17·12) = 0,02451 K/W

Strumień ciepła

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 20/0,1287 = 155,4 W

Temperatura na styku

Na pierwszej warstwie temperatura spada o Q̇·R₁.

Ti = T1 − Q̇·R1 = 25 − 155,4·0,1042 = 8,81 °C

Odpowiedź

Ti = 8,81 °C
Przykład 3Trudny
Wełna mineralna, k = 0,04100 mmPłyta gipsowo-kartonowa, k = 0,1725 mmpomieszczenie 20 °Cna zewnątrz -7 °CQ̇

Ściana z 100 mm (wełna mineralna) i 25 mm (płyta gipsowo-kartonowa) oddziela pomieszczenie o temperaturze 20 °C od powietrza zewnętrznego o temperaturze -7 °C. Współczynniki przejmowania ciepła wynoszą 6 W/(m²·K) wewnątrz i 20 W/(m²·K) na zewnątrz, a pole ściany 8 m². Wyznacz współczynnik przenikania ciepła U ściany.

L1 = 100 mm, k1 = 0,04 W/(m·K)L2 = 25 mm, k2 = 0,17 W/(m·K)A = 8 m²hi = 6 W/(m²·K)ho = 20 W/(m²·K)Troom = 20 °CTout = -7 °C

Oblicz U (W/(m²·K))

Pokaż podpowiedzi
  1. Dodaj cztery opory szeregowo: konwekcję wewnętrzną, dwie warstwy przewodzące i konwekcję zewnętrzną.
  2. U to strumień ciepła na jednostkę pola i stopień: U = 1/(A·ΣR).
  3. ΣR = 0,358 K/W.
Pokaż odpowiedź i rozwiązanie krok po kroku

Opór cieplny: ustalony przepływ ciepła przez warstwy połączone szeregowo zachowuje się jak prąd w rezystorach szeregowych: Q̇ = ΔT/ΣR, gdzie R = L/(kA) dla warstwy przewodzącej i R = 1/(hA) dla powierzchni z konwekcją. Spadek temperatury na każdej warstwie jest proporcjonalny do jej oporu.

Opory szeregowo

Ri = 1/(hiA) = 1/(6·8) = 0,02083 K/W
R1 = L1/(k1A) = (100/1000)/(0,04·8) = 0,3125 K/W
R2 = L2/(k2A) = (25/1000)/(0,17·8) = 0,01838 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(20·8) = 0,00625 K/W
ΣR = 0,358 K/W

Współczynnik przenikania

U = 1/(A·ΣR) = 1/(8·0,358) = 0,3492 W/(m²·K)

Odpowiedź

U = 0,3492 W/(m²·K)

Pytania i odpowiedzi

Przewodzenie ciepła: co to jest?

Ciepło zawsze płynie od gorącego do zimnego. W ciele stałym przemieszcza się przez przewodzenie: szybko drgające cząstki po ciepłej stronie przekazują energię sąsiadom.

W zimowy dzień ciepło ucieka z ogrzanego pokoju przez ściany w ten sposób. Ile go ucieka, zależy od różnicy temperatur, pola ściany, jej grubości i materiału.

Przewodzenie ciepła: jak rozwiązywać zadania krok po kroku?

Opór cieplny: ustalony przepływ ciepła przez warstwy połączone szeregowo zachowuje się jak prąd w rezystorach szeregowych: Q̇ = ΔT/ΣR, gdzie R = L/(kA) dla warstwy przewodzącej i R = 1/(hA) dla powierzchni z konwekcją. Spadek temperatury na każdej warstwie jest proporcjonalny do jej oporu.

Przewodzenie ciepła: co ćwiczysz?
  • Łatwy: ściana jednowarstwowa
  • Średni: ściana wielowarstwowa
  • Trudny: ściana z konwekcją

Każde zadanie ma nowe wartości, więc uczysz się metody, a nie odpowiedzi. Utknąłeś? Najpierw otwórz małą podpowiedź, a pełne wyjaśnienie dopiero wtedy, gdy go potrzebujesz.

Jak wygląda ćwiczenie

  • Każde zadanie ma nowe wartości, więc uczysz się metody, a nie odpowiedzi.
  • Utknąłeś? Najpierw otwórz małą podpowiedź, a pełne wyjaśnienie dopiero wtedy, gdy go potrzebujesz.
  • Twoje postępy, błędy i zapisane zadania są zachowywane, więc możesz je powtórzyć przed egzaminem.

Kalkulatory

Przedmioty z tym tematem

Więcej tematów: Mechanika

Karta pracy do druku