Varme

Varme (med standardsymbol Q) er etter ein streng definisjon overføring av termisk energi frå ein stad med høgare temperatur til ein stad med lågare temperatur. SI-eininga for varme er Joule (J). Som folkeleg omgrep blir ordet som regel nytta om temperatur og at eit objekt med høg temperatur «er varmt». Teknisk sett er altså dette ei feil oppfatning, og kjem frå gamalt av då ein trudde varme bestod av partiklar. Når det var mykje av dette «stoffet» var det mykje varme, altså var temperaturen høg. SI-eininga for temperatur er Kelvin (K).

Varme strøymer mellom område som ikkje er i termisk likevekt med kvarandre. Varme strøymer frå område med «høg» temperatur til område med «låg» temperatur. Alle fysiske lekamar har ei gjeven mengd indre energi som er knytt til den tilfeldige røyrsla av deira molekyl (eller atom for einatome substansar). Denne indre energien er positivt korrelert (tilnærma lineært) til temperatur på lekamen. Om to lekamar med ulik temperatur er i termisk kontakt, så vil dei utveksle indre energi heilt til temperaturane er utjamna. Mengda energi som er utveksla er det same som overført varme.

Nemningar

Når ein lekam frigjer varme til omgivnadane er Q < 0, og motsett gjeld når ein lekam får tilført varme frå omgivnadane Q > 0.

Varmeinnhald, varmeoverføring og varmetettleik (varmefluks) blir alle symbolisert med bokstaven Q, og blir derfor blanda i hop i ulike samanhengar.

Varmeinnhald vert skriven som Q, og vert målt i joule (J).
Varmeoverføring eller varmestraum vert skriven som

{\dot {Q}}={dQ \over dt}

Den vert målt i J/s eller W (watt)

Varmestraumtettleik eller varmefluks blir definert som varme per tid som strøymer gjennom eit areal, og vert skriven som q og målt i W/m².

Temperaturendringar

Varmemengda $\Delta Q$ som må til få å endre temperaturen til eit materiale frå ein starttemperatur T₀ til ein sluttemperatur T_f er avhengig av varmekapasiteten til materialet etter relasjonen:

\Delta Q=\int _{T_{0}}^{T_{f}}C_{p}\,dT.

Varmekapasiteten er både avhengig av mengda av materialet som utveklsar varme og eigenskapane til materialet. Varmekapasiteten kan faktoriserast på ulike måtar, og mest vanleg er produktet av masse og spesifikk varmekapasitet (ofte berre kalla spesifikk varme):

C_{p}=mc_{s}

eller produktet av talet på mol og molar varmekapasitet:

C_{p}=nc_{n}.

Både molar og spesifikk varmekapasitet er berre avhengig av dei fysiske eigenskapane til materialet som blir varma opp, og ikkje av særskilde eigenskapar av materialet. Definisjonane for varmekapasitet er tilnærma rett for faste stoff og væsker, medan avviket for gassar kan vere stort. Den molare varmekapasiteten vert delt i to, avhengig av om temperaturendringar skjer ved konstant volum (isokor prosess) eller konstant trykk (isobar prosess). Det er vanlegvis enklast å bruke termodynamikken si første lov saman med ei likning som gjev samanhengen mellom gassen sin indre energi og temperaturen.

Faseendring

Kokande vatn ved normalt lufttrykk ved havoverflata vil alltid vere på 100 °C uansett kor mykje varme som vert tilført. I staden vil varmen medverke til å endre fasen til vatnet eller aggregattilstanden frå væske til vassdamp. Varmen som endrar vatnet sin fase blir kalla latent varme (som kjem av det latinske ordet for skjult). Latent varme er varme per masse som er nødvendig for å endre aggregattilstanden for eit gjeve stoff. Dvs.:

L={\frac {Q}{\Delta m}}

og

Q=\int _{M_{0}}^{M}L\,dm

der $M_{0}$ er massen som i utgangspunktet er i den nye tilstanden, og M er massen som til slutt er i den nye fasen.

L er normalt uavhengig av massen som endrar fase, så likninga kan vanlegvis skrivast:

Q=L\Delta m.

Nokre gonger kan L vere uavhengig av tida visst trykk og volum varierer med tida, slik at integralet kan skrivast:

Q=\int L{\frac {dm}{dt}}dt.

Varmetransportmekanismar

Som nemnt over vil varme flytte seg frå eit område med ein gjeven temperatur til eit område med lågare temperatur. Denne varmetransporten føregår enten via konduksjon (direkte kontakt), konveksjon, stråling eller som ein kombinasjon av desse.

Konduksjon

Termisk konduksjon er den vanlegaste måten varme blir transport i eit fast stoff. På mikroskopisk skala skjer varmeoverføringa ved at atom eller molekyl i rørsle vekselverkar med naboatom og/eller molekyl, og på den måten overfører noko av sin energi (varme) til desse. I isolatorar vil varme hovudsakleg blir overført ved Fononvibrasjonar.

Metall i fast form har stor termisk konduktivitet eller varmeleiingsevne. Det er dei frie elektrona som medverker til det meste av varmeleiinga. (Ein har òg fononstraumar, men desse medverkar med mindre enn 1 %). Dei frie elektrona leiar òg elektrisk struam i metall, og det kan forklare kvifor termisk konduktivitet og elektrisk konduktivitet om lag har same verdiar for alle metall. Det betyr at metall som er gode til å leie elektrisitet òg er gode til å leie varme, t.d. kopar.

Peltier-Seebeck-effekten omhandlar fenomenet om at ein temperaturgradient set opp eit elektrisk felt i eit elektrisk leiande fast stoff. Termoelektrisitet oppstår i ein vekselverknad mellom elektrona, varmestraumar og elektriske straumar.

Konveksjon

Konveksjon er normalt den dominerande varmetransport-mekanismen i væsker og gassar. Konveksjon er omrøring i ei væske som oppstår ved at ei varm væske har mindre tettleik enn kaldare væske, og dermed vil stige. T.d. når vatn blir varma opp i ein kjele på ein komfyr, vil varmt vatn frå botn av kjelen stige opp slik at det blandar seg med det kaldare vatnet i overflata, eller tvingar dette ned mot botn. Eit anna døme finn vi i atmosfæren der sola varmar opp jordoverflata, og lufta nær overflata byrjar å stige oppover i lufta. Dette kan føre til konvektive skyer og etter kvart nedbør.

Det er vanleg å skilje mellom to typar konveksjon, fri konveksjon (eller naturleg konveksjon) driven av tyngde/oppdrifts-krefter, og tvungen konveksjon som krev ei mekanisk kraft, som ei vifte eller ei pumpe.

Stråling

Varmestråling er òg en varmeutvekslingsmekanisme. Det er den einaste varmeutvekslinga som ikkje treng eit transportmedium, og derfor den einaste måten varme kan transporterast gjennom vakuum. Varmestråling er eit direkte resultat av atom/molekyl-rørsler i materialet. Sidan desse atoma og molekyla inneheld lada partiklar (proton og elektron), vil rørsla deira føre til ein elektromagnetisk stråling som fraktar energi vekk frå overflata. Samtidig vil den same overflata motta stråling frå omgivnadane. Mengda av utsend stråling aukar med temperaturen. Netto strålingsutveksling vil gå i pluss eller minus avhengig av temperaturskilnadane mellom dei forskjellige mediuma som medverkar.

Ved romtemperatur (~300 K) vil strålinga høyre til den infraraude delen av spekteret. Det betyr ikkje at dette er det einaste frekvensområdet som medverkar til strålinga. Frekvensane som blir sende ut følgjer i stor grad lova for stråling frå ein svart lekam, som inneber at strålinga fordelar seg over eit stort frekvensområde med eit intensitetsmaksimum som er temperaturavhengig (Wien si forskyvingslov). For varme lekamar vil dei mest intense frekvensane ligge i den synlege delen av spekteret. Dette er årsaka til at visse lekamar blir raudglødane når dei blir svært varme. Kvar gong elektromagnetisk stråling blir sendt ut og så blir absorbert, har det skjedd ei varmeoverføring. Dette prinsippet vert brukt i mikrobølgjeomnar og ved laserskjering.

Varmeoverføringseigenskapar

Latent varme: Overføring av varme ved endring av aggregattilstand slik som vatn-til-is og vatn-til-damp innber stor energiomvandling og kan utnyttast på mange måtar: dampmaskin, kjøleskap etc. (ref. smeltevarme og frysevarme).
Varmerøyr: Det å bruke latent varme og kapillæreffekt for å fjerne varme er ein effektiv metode som ein brukar meir og meir, t.d. i bærbare PC-ar.

Sjå òg