Induljunk el a kályhától 1.4. – Hőközlés, hőterjedés

Az “Induljunk el a kályhától” cikksorozat a MACSOI kályhás szakújságban jelent meg az évek során folyamatosan.
Ezekben a cikkekben a hőtannal, a termodinamikával foglalkozunk, hőfolyamatokkal összefüggő legáltalánosabb törvényszerűségeket és ezek fizikai alapjait – hőmérséklet, hő, energia, hőátadás fogalmát – ismertetjük.

Jóllehet e témák feldolgozása során több kötetnyi szakirodalmat lehetne közzétenni, nyilvánvaló, hogy sorozatunkban – terjedelmi korlátok miatt – csak az alapfogalmak kifejtésére szorítkozunk. Fontos célunk azonban, hogy a törvényszerűségek leírását és magyarázatát gyakorlati kontextusba helyezzük.

A Cikksorozat eddigi cikkei:

Hőtani alapfogalmak 3. – Hőközlés, hőterjedés

A hőközlés folyamatát hőterjedésnek nevezzük. A hőterjedés három különböző fizikai folyamattal valósulhat meg: hőáramlással, hővezetéssel és hősugárzással. A hőterjedésben általában mindhárom mechanizmus egyszerre vesz részt, azonban legtöbbször valamelyik folyamat meghatározó szerepet játszik a többihez képest.

1. Hőáramlás (konvekció)

A hőáramláskor valamennyi anyag ténylegesen elmozdul a rendszer melegebb tartományából a hidegebb területek felé. A hőterjedés ekkor tehát valóságos anyagáramlással jár. Mivel a hőáramlás megkívánja a közeg mozgékonyságát, mobilitását, így csak folyadékokban és gázokban valósulhat meg. Szilárd anyagokban hőáramlás nem történhet. Ha az anyag mozgása a hőtágulási hatásokra fellépő felhajtóerő következménye, ezt természetes hőáramlásnak (gravitációs áramlásnak) nevezzük. A hőáramlás gravitációs térben azért következik be, mert a hőmérséklet-különbség következtében sűrűség-különbség jön létre. A nagyobb sűrűségű anyag lefelé, a kisebb sűrűségű pedig felfelé törekszik; ezt hívjuk természetes hőáramlásnak. Amennyiben az anyagot keveréssel, szivattyúzással stb. mozgatjuk, mesterséges hőáramlásról beszélünk.

A természetes hőáramlást családi házak központi fűtésére is használhatjuk víz- vagy légfűtő-rendszer alkalmazásával. A hőáramlás ilyenkor a fűtőtesteken (radiátorokon) áramoltatja át a meleg vizet, vagy légvezető csatornákon a levegőt, amely lehűlve tér vissza a melegítő egységbe. Az olyan rendszereket, amelyekben a keringés a természetes hőáramlás hatására történik, gravitációs keringető rendszernek nevezzük, legyen szó víz- vagy akár légfűtő-technológiáról. A gravitációs keringtetés főleg a vízfűtő rendszerben túlságosan lassú áramlást biztosít, így a szükséges fűtőhatás eléréséhez nagy átmérőjű csőrendszert kellene alkalmazni, mely költséges megoldás. Keringtető szivattyú alkalmazásával költségkímélő és hatékonyabb fűtési módot alkalmazhatunk. A mesterséges áramoltatással a házak hőmérsékletének automatikus szabályozása is könnyebben megoldható. A mesterségesen áramoltatott légfűtő-rendszer (a hőforrás lehet akár kandalló vagy kazán) előnyei közé tartozik, hogy egy hideg szobát a befújt levegő nagyon hamar fel tud melegíteni, vagy nagy nyári melegben a házat hűteni is képes a pince hűvösebb levegőjével.

A levegő hőáramlása a szabad természetben is gyakran megfigyelhető, különösen napsütéses időben. Ilyenkor a talaj a napsugarak hatására erősen felmelegszik, hőt adva át a vele érintkező levegőnek. Ez utóbbi sűrűsége csökken és a meleg levegő felemelkedik. Helyére a magasból hideg levegő érkezik, amely fölmelegedvén újra fölemelkedik. A körforgás folytatódik. A levegő felfelé áramlása nagyon erős lehet, s főként hegyvidékeken okozhat különleges légköri jelenségeket. E felfelé törő légáramlatokat termikeknek nevezzük, amelyek sok esetben a kémények funkcionális zavarait idézik elő. A természetes hőáramlás nemcsak áramlásra képes közeget igényel, hanem a gravitáció jelenlétét is megköveteli, továbbá a sűrűség megfelelő változását is a hőmérséklet függvényében. A hőáramlás hatóereje ugyanis a felhajtóerő, amely csak gravitációs közegben és sűrűség-különbségek meglétekor lép fel. Érdekességképpen említjük, hogy az űrhajókban súlytalanság esetén nincs felhajtóerő, tehát nem jöhet létre természetes hőáramlás sem. Ilyen helyzetben az űrhajóban meggyújtott gyertya lángja furcsa gömbalakot venne fel. Abszurd, de igaz feltételezés, hogy a kandalló lángja egy izzó búrához hasonlítana az űrhajóban.

A hőáramlást idegen szóval konvekciónak nevezzük. E kifejezés általánosítva azt jelenti, hogy valamilyen fizikai mennyiség (jelen esetben a hő) áramlása anyagáramlással jár együtt. A konvekciós áramlás lehet teljesen szabálytalan, esetenként azonban több-kevesebb szabályosságot is mutathat. Minél kisebb az áramlásra biztosított tér, annál szabályosabbá válik a konvekciós mozgás. A hagyományos vaskályhák biztosította hő konvekciós mozgása szabálytalan, mivel a teljes szoba térfogata képezi a konvekciós teret. A légfűtő kandallók esetében a motorikus tér szűk kiképzése biztosítja az intenzív és szabályos hőáramlást. A légfűtő kandalló ezért hatékonyabb és gazdaságosabb a hagyományos vaskályhánál.

A légfűtéses kandalló működési elve

2. Hővezetés (kondukció)

Hővezetéskor a termikus energia az atomok vagy molekulák kölcsönhatásának segítségével terjed, anélkül, hogy az anyag egyes részei makroszkopikus mértékben elmozdulnának. A hővezetés tipikusan a szilárd anyagokra jellemző, amelyekben a részecskék egyensúlyi helyük körül rezegnek. A meghatározásban az is benne van, hogy az anyag atomjai mikroszkopikus mozgást viszont végezhetnek. Hiszen a hővezetés magyarázata éppen az atomok mikroszkopikus mozgásán alapul. A mikroszkopikus mérték most az atomok, molekulák méretét jelenti, következésképpen az elmozdulás is nagyon kicsi.

A hővezetés mikroszkopikus magyarázatához a következőket kell tudnunk, illetve felelevenítenünk.

Bármilyen anyag atomjai véletlenszerű, szabálytalan mozgást végeznek, amelynek hevessége a hőmérséklet emelkedésével növekszik.
Kristályos, szilard anyagokban (a legtöbb szilárd anyag kristályos) az atomok átlagos helye rögzített, hőmozgást csak átlagos helyük körül végezhetnek, amely mozgás szabálytalan, változó rezgőmozgás különféle irányban.
A rezgések amplitúdója a hőmérséklet emelkedésével nő.
A kristályrácsban lévő atomok közvetlen szomszédjaikkal kölcsönhatásban vannak, amit úgy modellezhetünk, mintha piciny rugókkal lennének egymáshoz kötve. Ha a kristály egyik oldalát (azaz a szilárd testet) melegíteni kezdjük, akkor ott az atomok rezgése felerősödik. Ezek a nagy energiájú rezgések viszont a kölcsönhatás következtében (képzeletbeli összekötő rugók) továbbterjednek a szilárd testben anélkül, hogy az egyes atomok elhagynák átlagos egyensúlyi helyüket.

Tehát: a hővezetés az atomok rezgési állapotának továbbterjedése anélkül, hogy a részecskék makroszkopikus mozgást végeznének.

A szilárd anyagok hővezetési szempontból nagymértékben különböznek egymástól. A legjobb hővezető képességű anyag több mint tízezerszer gyorsabban vezeti a hőt, mint a legjobb hőszigetelő. Az előbb szemléltetett rugókkal összekötött kristálymodell nem magyaráz meg ekkora különbséget, a valódi helyzet ennél jóval bonyolultabb, ugyanis a hővezetésben fontos szerepet játszanak a fémekben megtalálható szabad elektronok. Az egyszerűség kedvéért megjegyezzük, hogy az elektromosan jól vezető anyagok jó hővezetők, míg az elektromos szempontból szigetelőként viselkedő anyagok jó hőszigetelők.

3. Hősugárzás

A Nap és a Föld közötti hatalmas űr csaknem teljesen üres, itt majdnem tökéletes vákuum uralkodik. A napfény mégis eljut hozzánk, energiát, életet ad a Földnek. A világűr távolabbi részei még üresebbek, a csillagok fénye, a még nagyobb távolság ellenére is ideérnek. Nehéz először elfogadni, hogy a fény minden hordozó közeg nélkül terjed, mert minden más esetben valamilyen megfogható anyagot találunk, ha az energiaterjedés részleteit kutatjuk. Bár nem tudjuk megragadni és felmutatni, mint egy anyagi részecskét, beláthatjuk, hogy a fény is szállít energiát. Érezzük hatását; átalakíthatjuk, hasznosíthatjuk ezt az energiát. Az energiaterjedésnek ezt a formáját sugárzásnak nevezzük.

A hősugárzás általánosságban az elektromágneses hullámok teljes színképét jelenti, bár gyakran leszűkítik a környezetünkben lévő meleg tárgyak (például a kályha) által kisugárzott tartományra, amely főként a legnagyobb hullámhosszúságú látható fénynél, a vörösnél is nagyobb hullámhosszak tartományára esik. Ezt infravörös (vörösen túli) sugaraknak nevezzük. Hősugárzáskor az energiaterjedésnek nincs szüksége hordozó közegre, légüres térben is terjed. Sokféle anyagi közegen többé-kevésbé át tud hatolni, azonban különböző mértékben el is nyelődik. Minden test képes hősugárzás formájában energiát leadni, aminek mértéke a test hőmérsékletétől erősen függ. Magasabb hőmérsékleten a testek által kibocsátott hősugárzás nagyobb.

A testek azonban nemcsak kisugároznak energiát, hanem el is nyelnek. Alapvető természeti törvény, hogy ilyenkor hőmérsékleti egyensúly áll be, ami azt jelenti, hogy a kisugárzott energia megegyezik a felvett vagy az elnyelt energiával, vagyis a testek hőmérséklete meg fog egyezni. Az egyensúly beállta után természetesen a közös hőmérsékleten is fognak sugározni és elnyelni is, azonban ekkor az időegységenként kisugárzott energiájuknak meg kell egyeznie azt időegység alatt elnyelt energiával. Egyszerűen fogalmazva, amit az egyik kisugároz, azt a másiknak el kell nyelnie. Ezek a megfontolások arra a felismerésre vezetnek, hogy a testek kisugárzási képessége arányos elnyelő képességükkel, vagyis ha egy test sok hőt tud elnyelni, akkor sokat is sugároz ki. Például a sötét felszínű testek jó hőelnyelők, de erős kisugárzók is. A fényesre tükrösített felületek elnyelő képessége majdnem nulla.

Az abszolút fekete test sugárzása: A legjobb sugárzó az úgynevezett „abszolút fekete test”, amelyre jellemző, hogy a ráeső sugárzást 100 százalékosan elnyeli, abszorbeálja. Ilyen ideális test a valóságban nincs. Jól közelíti azonban az abszolút fekete testet a fekete színű érdes felület. Minél érdesebb a felület, annál hangsúlyosabb az ide-odaverődő sugarak elnyelődése. A gyakorlatban a vasöntvény felülete közelíti meg leginkább az abszolút fekete test tulajdonságait. Nem véletlen, hogy a legjobb hatékonyságú kandalló-tűzterek vagy kályhák vasöntvényből készülnek. Ezek nemcsak tartósságuk, de hőhasznosításuk révén is a legkeresettebb fűtéstechnikai termékek.

Írta: Gyergyay Csaba, okleveles gépészmérnök