Sự truyền nhiệt là gì ? Nguyên lý truyền nhiệt hoạt động ra sao?

Sự truyền nhiệt là một khái niệm cơ bản trong vật lý và kỹ thuật, mô tả quá trình năng lượng nhiệt được di chuyển từ một vật thể hoặc môi trường có nhiệt độ cao hơn sang một vật thể hoặc môi trường có nhiệt độ thấp hơn. Hiểu rõ về sự truyền nhiệt rất quan trọng trong nhiều lĩnh vực, từ thiết kế các hệ thống sưởi ấm và làm mát đến tối ưu hóa hiệu suất của các thiết bị điện tử và các quy trình công nghiệp.

Sự truyền nhiệt là gì?

Sự truyền nhiệt là quá trình năng lượng nhiệt (nhiệt năng) được trao đổi giữa các vật thể hoặc các hệ thống có nhiệt độ khác nhau. Quá trình này luôn diễn ra theo hướng từ nơi có nhiệt độ cao hơn đến nơi có nhiệt độ thấp hơn, cho đến khi đạt được trạng thái cân bằng nhiệt, tức là nhiệt độ giữa các vật thể hoặc hệ thống trở nên bằng nhau.

Có ba hình thức truyền nhiệt chính:

• Dẫn nhiệt: Là hình thức truyền nhiệt xảy ra do sự va chạm trực tiếp giữa các phân tử trong một vật thể hoặc giữa các vật thể tiếp xúc trực tiếp với nhau. Các phân tử có nhiệt độ cao hơn (chuyển động nhanh hơn) sẽ truyền năng lượng cho các phân tử có nhiệt độ thấp hơn (chuyển động chậm hơn), làm cho nhiệt độ cân bằng. Ví dụ: khi bạn chạm tay vào một vật nóng, nhiệt sẽ truyền từ vật đó sang tay bạn thông qua dẫn nhiệt.
• Đối lưu: Là hình thức truyền nhiệt xảy ra do sự chuyển động của các dòng chất lỏng hoặc khí. Khi chất lỏng hoặc khí được làm nóng, chúng trở nên nhẹ hơn và nổi lên trên, trong khi phần chất lỏng hoặc khí lạnh hơn và nặng hơn sẽ chìm xuống, tạo thành các dòng đối lưu mang theo nhiệt năng. Ví dụ: đun nước trong ấm, nước ở đáy ấm nóng lên, nở ra, nhẹ hơn và nổi lên trên, nước lạnh ở trên chìm xuống và tiếp tục được làm nóng, tạo thành dòng đối lưu.
• Bức xạ nhiệt: Là hình thức truyền nhiệt xảy ra dưới dạng sóng điện từ, không cần môi trường trung gian. Mọi vật thể có nhiệt độ trên độ không tuyệt đối đều phát ra bức xạ nhiệt. Vật có nhiệt độ càng cao thì bức xạ nhiệt càng mạnh. Ví dụ: Mặt trời truyền nhiệt đến Trái đất thông qua bức xạ nhiệt, hoặc lò sưởi điện phát ra nhiệt làm ấm căn phòng.

Tìm hiểu nguyên lý truyền nhiệt

Nguyên lý truyền nhiệt dựa trên định luật bảo toàn năng lượng và định luật thứ hai của nhiệt động lực học. Định luật bảo toàn năng lượng phát biểu rằng năng lượng không tự sinh ra và cũng không tự mất đi, mà chỉ chuyển hóa từ dạng này sang dạng khác. Định luật thứ hai của nhiệt động lực học phát biểu rằng nhiệt năng luôn tự truyền từ nơi có nhiệt độ cao hơn đến nơi có nhiệt độ thấp hơn.

Định luật Fourier về dẫn nhiệt

Định luật Fourier mô tả tốc độ truyền nhiệt qua một vật liệu dẫn nhiệt. Định luật này được phát biểu như sau:

• Mật độ dòng nhiệt (lượng nhiệt truyền qua một đơn vị diện tích trong một đơn vị thời gian) tỷ lệ thuận với gradien nhiệt độ (sự thay đổi nhiệt độ theo khoảng cách) và hệ số dẫn nhiệt của vật liệu.

Công thức: q = -k * ∇T

Trong đó:

• q là mật độ dòng nhiệt (W/m²)
• k là hệ số dẫn nhiệt của vật liệu (W/m.K)
• ∇T là gradien nhiệt độ (K/m)

Định luật Newton về làm mát

Định luật Newton về làm mát mô tả tốc độ truyền nhiệt đối lưu giữa một vật thể rắn và một chất lỏng hoặc khí xung quanh. Định luật này được phát biểu như sau:

• Tốc độ truyền nhiệt đối lưu tỷ lệ thuận với diện tích bề mặt tiếp xúc, chênh lệch nhiệt độ giữa vật thể và môi trường, và hệ số truyền nhiệt đối lưu.

Công thức: Q = h * A * (Ts – T∞)

Trong đó:

• Q là tốc độ truyền nhiệt (W)
• h là hệ số truyền nhiệt đối lưu (W/m².K)
• A là diện tích bề mặt tiếp xúc (m²)
• Ts là nhiệt độ bề mặt vật thể (K)
• T∞ là nhiệt độ của môi trường (K)

Thiết bị truyền nhiệt

Thiết bị truyền nhiệt là các thiết bị được thiết kế để truyền nhiệt từ một môi trường này sang một môi trường khác một cách hiệu quả. Sự truyền nhiệt hiệu quả là mục tiêu hàng đầu khi thiết kế các thiết bị này.

Các loại thiết bị truyền nhiệt phổ biến:

• Bộ trao đổi nhiệt dạng ống chùm: Đây là loại thiết bị truyền nhiệt phổ biến nhất, bao gồm một bó các ống được đặt bên trong một vỏ bọc. Một chất lỏng chảy bên trong các ống, trong khi chất lỏng còn lại chảy bên ngoài các ống. Nhiệt được truyền qua thành ống từ chất lỏng nóng hơn sang chất lỏng lạnh hơn.
• Bộ trao đổi nhiệt dạng tấm: Loại thiết bị này bao gồm một loạt các tấm kim loại mỏng được xếp chồng lên nhau, tạo thành các kênh dẫn cho chất lỏng chảy qua. Các tấm được thiết kế để tối đa hóa diện tích bề mặt tiếp xúc, giúp tăng hiệu quả truyền nhiệt.
• Bộ tản nhiệt: Bộ tản nhiệt thường được sử dụng để làm mát các thiết bị điện tử. Chúng thường được làm bằng kim loại có độ dẫn nhiệt cao như nhôm hoặc đồng, với các cánh tản nhiệt để tăng diện tích bề mặt tiếp xúc với không khí. Nhiệt từ thiết bị điện tử được dẫn đến bộ tản nhiệt và sau đó được truyền ra không khí thông qua đối lưu.
• Lò hơi: Lò hơi là thiết bị dùng để đun nóng nước hoặc các chất lỏng khác, tạo ra hơi nước để sử dụng trong các hệ thống sưởi ấm, nhà máy điện, hoặc các quy trình công nghiệp. Nhiệt từ quá trình đốt cháy nhiên liệu được truyền đến nước thông qua các bề mặt truyền nhiệt trong lò hơi.
• Bình ngưng: Bình ngưng là thiết bị dùng để chuyển đổi hơi nước hoặc hơi của các chất khác thành thể lỏng. Quá trình ngưng tụ xảy ra khi hơi tiếp xúc với bề mặt mát hơn, khiến nhiệt được truyền từ hơi sang bề mặt và hơi ngưng tụ thành chất lỏng.

Hệ số truyền nhiệt là gì?

Hệ số truyền nhiệt là đại lượng đặc trưng cho khả năng truyền nhiệt của một vật liệu hoặc một hệ thống. Hệ số truyền nhiệt càng cao thì khả năng truyền nhiệt càng tốt. Sự truyền nhiệt có hiệu quả hay không phụ thuộc rất lớn vào hệ số này.

Các loại hệ số truyền nhiệt:

• Hệ số dẫn nhiệt (k): Đại lượng đặc trưng cho khả năng dẫn nhiệt của một vật liệu. Đơn vị: W/m.K (Watt trên mét Kelvin). Vật liệu có hệ số dẫn nhiệt cao (như kim loại) dẫn nhiệt tốt hơn so với vật liệu có hệ số dẫn nhiệt thấp (như gỗ, nhựa).
• Hệ số truyền nhiệt đối lưu (h): Đại lượng đặc trưng cho khả năng truyền nhiệt giữa một bề mặt rắn và một chất lỏng hoặc khí chuyển động. Đơn vị: W/m².K (Watt trên mét vuông Kelvin). Hệ số truyền nhiệt đối lưu phụ thuộc vào nhiều yếu tố như tốc độ dòng chảy, tính chất của chất lỏng hoặc khí, và hình dạng của bề mặt.
• Hệ số truyền nhiệt tổng thể (U): Đại lượng đặc trưng cho khả năng truyền nhiệt tổng thể qua một hệ thống bao gồm nhiều lớp vật liệu hoặc nhiều hình thức truyền nhiệt. Đơn vị: W/m².K (Watt trên mét vuông Kelvin). Hệ số truyền nhiệt tổng thể được tính toán dựa trên hệ số dẫn nhiệt, hệ số truyền nhiệt đối lưu, và các thông số khác của hệ thống.

Truyền nhiệt đối lưu

Truyền nhiệt đối lưu là một trong ba hình thức sự truyền nhiệt chính, xảy ra do sự chuyển động của các dòng chất lỏng hoặc khí. Khi một phần chất lỏng hoặc khí được làm nóng, nó trở nên nhẹ hơn và nổi lên, trong khi phần chất lỏng hoặc khí lạnh hơn và nặng hơn sẽ chìm xuống, tạo thành các dòng đối lưu mang theo nhiệt năng.

Các loại truyền nhiệt đối lưu

• Đối lưu tự nhiên: Xảy ra do sự chênh lệch mật độ gây ra bởi sự chênh lệch nhiệt độ. Ví dụ: sự nóng lên của không khí gần mặt đất vào ban ngày tạo ra các dòng đối lưu tự nhiên, mang không khí nóng lên cao và không khí lạnh hơn xuống dưới.
• Đối lưu cưỡng bức: Xảy ra do sự tác động của các yếu tố bên ngoài như quạt, bơm, hoặc gió. Ví dụ: sử dụng quạt để làm mát máy tính là một ví dụ về đối lưu cưỡng bức. Quạt tạo ra luồng không khí cưỡng bức, giúp tăng tốc độ truyền nhiệt từ các bộ phận nóng của máy tính ra không khí xung quanh.

Các ứng dụng của truyền nhiệt đối lưu

• Hệ thống sưởi ấm và làm mát: Các hệ thống sưởi ấm và làm mát sử dụng nguyên lý đối lưu để phân phối nhiệt hoặc khí mát trong các tòa nhà.
• Nấu nướng: Đun sôi nước, nấu súp, làm bánh bằng lò nướng đều là những ví dụ về ứng dụng của truyền nhiệt đối lưu trong việc nấu nướng.
• Làm mát thiết bị điện tử: Quạt tản nhiệt trong máy tính, tivi, và các thiết bị điện tử khác sử dụng đối lưu cưỡng bức để làm mát các bộ phận sinh nhiệt.
• Các quá trình công nghiệp: Nhiều quá trình công nghiệp sử dụng truyền nhiệt đối lưu để làm nóng, làm mát, hoặc sấy khô sản phẩm.
• Thiết bị bay: Cánh máy bay được thiết kế dựa trên nguyên lý truyền nhiệt đối lưu (lực nâng) để giúp máy bay có thể cất cánh.

Kết luận

Sự truyền nhiệt là một quá trình vật lý quan trọng, đóng vai trò thiết yếu trong nhiều hiện tượng tự nhiên và các ứng dụng kỹ thuật. Hiểu rõ các hình thức truyền nhiệt, nguyên lý hoạt động, và các yếu tố ảnh hưởng đến sự truyền nhiệt là nền tảng để thiết kế và tối ưu hóa các hệ thống truyền nhiệt, nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng, và phát triển các công nghệ mới. Từ việc sưởi ấm ngôi nhà, làm mát máy tính, đến các quy trình sản xuất công nghiệp phức tạp, sự truyền nhiệt luôn hiện diện và đóng góp vào cuộc sống của chúng ta.

Xem thêm:

• Chu trình quá lạnh quá nhiệt là gì? Tìm hiểu cơ chế hoạt động
• Thiết bị ngưng tụ là gì? Cấu tạo và nguyên lý hoạt động
• Nguyên lý làm việc của máy nén lạnh như thế nào?