Teplo

Z Encyklopedie o termovizi a termovizní diagnostice - Termowiki

Jednotkou tepla je joule (značka "J"), běžné označení této veličiny je Q.

Teplo je forma energie se specifickým způsobem přenosu (vedení, proudění a sálání). Z fyzikálního hlediska existují pouze dva možné způsoby přenosu energie:

• práce
• a přenos tepla.

Základní charakteristika tepla je ta, že vždy přechází z teplejšího tělesa na chladnější (na základě tzv. teplotního gradientu, viz dále). Rozdíl mezi prací a teplem je ten, že zatímco práce popisuje uspořádaný, vratný proces, teplo je popisem procesu chaotického a nevratného.

Teplo můžeme definovat jako souhrn mikroskopických procesů mezi systémem a okolím. Teplo je tedy makroskopickým projevem řady mikroskopických dějů a podle kinetické teorie se při tepelné výměně předává energie neuspořádaného pohybu částic, z nichž se skládá jak systém teplo odevzdávající, tak systém teplo přijímající.

Obsah 1 Jednotka tepla 2 Vztah mezi teplem a teplotou 3 Teplo z hlediska termografie 3.1 Tepelné úniky obvodovým pláštěm budovy 3.2 Tepelné mosty 3.3 Přechodové odpory 3.4 Přetížení elektrických prvků 4 Tepelná kapacita 5 Šíření tepla 5.1 Vedení tepla 5.1.1 Ustálené vedení tepla 5.1.2 Neustálené vedení tepla 5.2 Proudění tepla 5.3 Záření (sálání) tepla 6 Související články 7 Externí odkazy

Jednotka tepla

Jednotkou tepla je joule, značka jednotky je "J". V soustavě SI patří joule mezi odvozené jednotky s rozměrem:

kg·m²·s^–2 (též N·m), kde kg je kilogram, m je metr, s je sekunda, N je newton.

Vztah mezi teplem a teplotou

Teplo a teplota v laické veřejnosti často nebývá správně rozlišováno.

Teplo z hlediska termografie

Termografie neměří teplo, ale povrchovou teplotu těles. Z této povrchové teploty lze pak (za jistých okolností) usuzovat například na:

Tepelné úniky obvodovým pláštěm budovy

Tepelné mosty

Přechodové odpory

Přetížení elektrických prvků

na tepelné úniky obvodovým plášti budov ()

Tepelná kapacita

Poměr mezi přírustkem tepla a přírustkem teploty se nazývá tepelnou kapacitou:

, kde

• je přírustek (změna) tepla
• je rozdíl teplot mezi počátečním a konečným stavem, kdy bylo teplo dodáváno

Jednotkou tepelná kapacity je joule na kelvin, tj. J.K^-1.

Tepelná kapacita hraje důležitou roli v případě vytápění budov a nákladů na toto vytápění, více informací naleznete v článku o tepelné kapacitě staveních materiálů, kde je také uvedena tabulky kapacit stavebních materiálů.

Šíření tepla

Šíření tepelné energie z jednoho místa na druhé může probíhat:

• vedením,
• prouděním,
• zářením (sáláním).

V pevných látkách se teplo šíří prakticky výhradně vedením, v kapalných a plynných látkách také prouděním a sáláním.

Vedení tepla

Z fyzikálního hlediska je vedení (kondukce) tepla děj, při kterém částice z oblasti s vyšší kinetickou energií předávají část své pohybové energie částicím v oblasti s nižší střední kinetickou energií. Říkáme, že teplo z teplejšího tělesa (nebo nebo jeho části) je vedeno do chladnějšího tělesa (nebo jeho části) na základě teplotního potenciálu, přičemž děj probíhá až do vyrovnání teplotního potenciálu. Při vedení tepla v pevných a kapalných látkách prakticky nedochází k pohybu částic, ty pouze kmitají kolem svých rovnovážných poloh.

Různé látky vedou teplo různě snadno, tato vlastnost se nazývá tepelná vodivost nebo také součinitel tepelné vodivosti.

Pozn.: Tepelná vodivost je například důležitá z hlediska úniků tepla z budov (čím větší je tepelná vodivost obvodového pláště budovy, tím snadněji dochází k úniku tepla z interiéru do exteriéru), více informací viz tepelná vodivost stavebních materiálů. Výrazné zvýšení tepelné vodivosti v pláštích budov nazýváme "tepelný most". Tepelné mosty mohou mohou být odhaleny na základě termovizního měření, viz článek lokalizace teplotních anomálií v obvodovém plášti budovy.

Pomocí termovize lze měřenit jak ustálené vedení tepla, tak neustálené vedení tepla. V řadě praktických situací (termovize budov, elektrický strojů a zařízení, fotovoltaických panelů atd.) většinou uvažujeme ustálené vedení tepla. Přestože ve všech případech se ve skutečnosti jedná o neustálené vedení tepla, je model ustáleného vedení tepla dostatečnou aproximací, k tomu je však třeba zajistit vhodné podmínky. Naopak je řada situací, kdy využíváme schopnosti termovize měřit nestacionární děje.

Ustálené vedení tepla

Při ustáleném vedení tepla se teplotní rozdíl mezi jednotlivými částmi tělesa se v čase nemění. V praxi lze ustáleného vedení tepla dosáhnout pouze zahříváním jednoho konce tělesa o ochlazováním druhého, ale v řadě situací lze za ustálené vedení tepla považovat situaci, kde se teplota jednotlivých částí tělesa dostatečně dlouho nemění.

Pokud uvažujeme že je teplo vedeno dlouhou tyčí o délce d z jejího teplejšího konce (o teplotě t₂) ke chladnějšímu konci (o teplotě t₁), lze tuto situaci popsat rovnicí:

, kde

• je teplo které projde kolmým průřezem za dobu
• je teplotní gradient, přičemž d je délka tyče, t₁ je teplota chladnějšího konce tyče a t₂ je teplota teplejšího konce tyče
• je tepelná vodivost

Z rovnice je zřejmé, že pro konstantní průřez a dobu projde daným průřezem tím více tepla, čím větší je teplotní gradient a čím větší je tepelná vodivost materiálu. V praxi (například při simulaci tepelných mostů) je vztah výrazně složitější a k výpočtům je třeba použít speciální simulační SW, který je založen na metodě konečných prvků.

Množství tepla , které projde plochou za čas se označuje jako hustota tepelného toku:

.

Tato veličina je analogií proudové hustoty z teorie elektrických obvodů a umožňuje porovnávat jednotlivé části tělesa z hlediska množství tepla, které jimi proteče.

Neustálené vedení tepla

Při neustáleném vedení tepla dochází ke změně teplot v jednotlivých částech tělesa. V tomto případě si nelze vystačit se zjednodušeními jako v případě ustáleného vedení tepla a je výpočetně třeba vycházet z parciální diferenciální rovnice vedení tepla.

Situace je výpočetně mnohem náročnější než v případě ustáleného vedení tepla a pro výpočty je třeba použít náročný simulační SW, který je založen na metodě konečných prvků a hledá řešení diferenciální rovnice vedení tepla na základě okrajových a počátečních podmínek.

Proudění tepla

Při proudění tepla dochází k proudění hmoty o různé teplotě. Tímto prouděním dochází v kapalinách k promíchávání jednotlivých částí o různé teplotě a tím i k vyrovnávání teplot.

Příkladem je stoupání teplejšího vzduchu v místnosti ke stropu, protože teplejší část vzduchu má menší hustotu.

Záření (sálání) tepla

Termální záření je druh elektromagnetického záření, které je emitováno každou hmotou v závislosti na její povrchové teplotě. Vztah mezi povrchovou teplotou a spektrem emitovaného elektromagnetického záření je dáno Planckovo vyzařovacím zákonem, který je odvozen pro absolutně černé těleso (oproti tomu je každé reálné těleso buď selektivní zářič nebo tzv. šedé těleso). Právě na měření termálního vyzařování těles je založena termovize.

Wienův posunovací zákon říká, že vlnová délka maxima vyzařování se posouvá se vzrůstající teplotou a Stefan-Boltzmannův zákon říká, že intenzita vyzářování černého tělesa roste se čtvrtou mocninou jeho teploty.

Podrobnější informace o tepelném vyzařování a jeho měření pomocí termovize (termografie) naleznete v samostatných článcích:

• termovize,
• absolutně černé těleso,
• Planckův vyzařovací zákon,
• elektromagnetické záření,
• infračervené záření.

Související články

• Tepelná vodivost
• Termovize
• Absolutně černé těleso
• Planckův vyzařovací zákon
• Elektromagnetické záření
• Infračervené záření
• Teplota

Externí odkazy

CZ:

• Vedení tepla různými materiály, vzdělávací video

EN:

• Článek "Tepelné záření" na anglické Wikipedii