Dostarczanie ciepła do pomieszczeń – mechanizmy wymiany ciepła

W pierwszym wpisie o dostarczaniu ciepła do pomieszczeń pisałem o różnicach między ogrzewaniem centralnym a lokalnym. Dziś będzie nieco bardziej abstrakcyjny wpis, o prawach fizyki. Mianowicie opowiem Wam o mechanizmach (sposobach) wymiany ciepła. Wspomnę też w kilku słowach o tym, jak te mechanizmy wykorzystujemy w ogrzewaniu domów.

Wymiana ciepła to proces, w którym ciepło przepływa z miejsca o wyższej temperaturze do miejsca o niższej temperaturze. Gdy oba miejsca mają tę samą temperaturę, wymiana (przepływ) ciepła nie następuje. Miejscem o wyższej temperaturze może być grzejnik, miejscem o niższej — pokój. Gdy zakręcimy zawór w grzejniku, będzie on stygł podnosząc temperaturę w pomieszczeniu (oddając ciepło do pomieszczenia) tak długo, aż wystygnie do temperatury pokojowej. Miejscem o wyższej temperaturze może być też koniec pogrzebacza leżącego w ognisku. Gdy będzie leżeć tam odpowiednio długo, cały nagrzeje się mocno i dalej się nagrzewać nie będzie. Gdy pogrzebacz z rozgrzanym tylko końcem wyciągniemy z ogniska, po jakimś czasie jego temperatura na całej długości będzie równa — niższa, niż temperatura rozgrzanej końcówki jeszcze kilka chwil wcześniej — bo ciepło rozpłynie się po całej długości pogrzebacza.

Są trzy podstawowe mechanizmy (sposoby) wymiany ciepła:

• przewodzenie ciepła,
• konwekcja,
• promieniowanie.

Z przewodzeniem ciepła mamy do czynienia w przypadku wspomnianego pogrzebacza. Ciepło przepływa wzdłuż niego wskutek przenoszenia się drgań między cząsteczkami metalu, z którego wykonany jest pogrzebacz. Przewodzenie ciepła jest dla pewnych materiałów bardziej intensywne, niż dla innych. Dobrymi przewodnikami ciepła są na przykład metale, kiepskimi drewno, najgorszymi — tak zwane materiały izolacyjne, np. styropian. Dlatego gdy stłuczesz sobie czoło otwierając szafkę w kuchni, przykładasz do niego nóż a nie drewnianą łyżkę. Mimo, że oba te sztućce mają taką samą temperaturę (leżą w jednej kuchni), to nóż daje uczucie chłodu (szybciej odbiera ciepło z czoła) niż łyżka.

Konwekcja ma miejsce wtedy, gdy przekazywanie ciepła odbywa się wraz z ruchem czynnika — gazu lub cieczy. Nie do końca chodzi tu o mechanizm, w którym ciepłe powietrze unosi się do góry, bo ściśle ujmując, takie coś nazywa się prądami konwekcyjnymi. Chodzi o to, że powietrze dookoła nagrzanego garnka czy grzejnika będzie odbierać od niego ciepło. Gdy to powietrze samo z siebie będzie się unosić gdy się nagrzeje, mamy do czynienia z konwekcją naturalną. Konwekcja wymuszona występuje wtedy, gdy coś wymusza ruch powietrza odbierającego ciepło od grzejnika — na przykład gdy zamontujemy za nim wentylator. Ale też wtedy gdy dmuchamy na kawałek pieczeni trzymany na widelcu.

Promieniowanie zaś to już mechanizm znacznie trudniejszy do wyobrażenia sobie. Mocno rozgrzany pogrzebacz (do czerwoności) zaczyna świecić i właśnie świecąc przekazuje na drodze promieniowania ciepło. A tak naprawdę, to gdy jest zimny, też promieniuje — tylko, że wolniej. Każde ciało o temperaturze wyższej od zera bezwzględnego wypromieniowuje ciepło. My też. Wypromieniowujemy ciepło w kierunku ścian, sufitu i grzejnika. Dzięki temu, że ściany, sufit i grzejnik też promieniują w naszym kierunku, nie marzniemy. 🙂 Efekt działania tego mechanizmu widać na pokrytych rosą samochodowych dachach — w nocy dach wypromieniowuje ciepło w kierunku nocnego nieba, które promieniuje w jego kierunku znacznie słabiej i dlatego dach robi się zimniejszy i skrapla się na nim para wodna.

Mechanizmy wymiany ciepła w ogrzewaniu

Tym razem tylko w dużym skrócie. W szczegółach napiszę o tym w opisach działania poszczególnych rodzajów ogrzewania.

W przypadku ogrzewania grzejnikiem, mamy do czynienia z konwekcją i promieniowaniem. Grzejniki zazwyczaj mają małą powierzchnię skierowaną w naszym kierunku, a dużo żeberek. Dlatego wypromieniowują w naszą stronę stosunkowo mało ciepła. Większość przekazują na drodze konwekcji (naturalnej zresztą).

Ogrzewanie podłogowe za grzejnik ma całą powierzchnię podłogi, więc tu udział promieniowania jest znacznie większy. Oczywiście konwekcja też ma miejsce. Ale także przewodzenie, bo na podłodze przecież stoimy, czy to boso, czy w skarpetkach lub butach. Nasze buty przewodzą ciepło przez podeszwy i ogrzewają nam stopy.

Z konwekcją wymuszoną mamy do czynienia w przypadku systemów centralnego ogrzewania kominkowego z dystrybucją gorącego powietrza napędzanych dmuchawą a także w przypadku klimatyzatorów z funkcją grzania. 🙂

Zobacz także