i i “5-2-Zitnik-naslov” — 2009/3/27 — 11:47 — page 1 — #1 i i i i i i List za mlade matematike, fizike, astronome in računalnikarje ISSN 0351-6652 Letnik 5 (1977/1978) Številka 2 Strani 113–115 Janez Žitnik: KAKO ODVAJATI VELIK TOPLOTNI TOK Ključne besede: fizika. Elektronska verzija: http://www.presek.si/5/5-2-Zitnik.pdf c© 1977 Društvo matematikov, fizikov in astronomov Slovenije c© 2009 DMFA – založništvo Vse pravice pridržane. Razmnoževanje ali reproduciranje celote ali posameznih delov brez poprejšnjega dovoljenja založnika ni dovo- ljeno. FIZIKA ___1] KAKO ODVAJATI VELIK TOPLOTNI TOK Le v šoli smo se naučili, da teče toplota po telesih sama od sebe z mest z višjo temperaturo na mesta z nižjo temperaturo. Toplotni tok P , to je množina toplote, ki se prenese na enoto časa, je sorazmeren s temperaturno razliko in obratno sorazmeren z razdaljo med toplejšim in hladnejšim mestom. Odvisen je tudi od oblike telesa . Najpreprostejše so razmere, ko teče toplotni tok le veni smeri, na primer po palici vzdolž osi. Presek pa- lice naj bo s in dolžina palice L. Ce je temperaturna razlika med koncema palice 6T, teče po palici toplotni tok P = >. S6T/ L Koeficient toplotne prevodnosti >. je velik pri kovinah, kot so baker,srebro, zlato, aluminij in medenina. Les, stiropor, opeka in podobne snovi pa imajo majhno toplotno prevodnost. Snovi, ki toploto dobro prevajajo, se nam zde ob dotiku hladne, slabi prevodniki toplote pa topli. Zelo slabi prevodniki toplote so plini. Zato imamo tudi doma dvojna okna med katerimi je zrak. Tako se izognemo prevel ikim toplotnim izgubam skozi okna in zmanjšamo stroške za kurjavo v zimskem času. Včasih pa je treba odvajati velike toplotne tokove. Inženir- ji, ki projektirajo na primer elektronke za velike moči ali pa rentgenske cevi, se večkrat srečajo s tem problemom. Iz majhne- ga prostora je treba v teh pripravah odvajati velik toplotni tok. Poskusimo hladiti anodo rentgenske cevi, ki deluje npr. z močjo 1 kW tako, da nanjo pritrdimo kakih 30 cm dolgo bakreno palico in prosto krajišče hladimo z zrakom. Ce je presek palice 5 cm 2 in temperatura zraka 200C, lahko izračunamo, do kolikšne temperature bi se segrelo drugo krajišče palice, če bi tekel po njej toplotni tok 1 kW. Iz enačbe za toplotni tok sledi 6T = PL/ >. S = (1000W.0,3m)/(380W/mst .5.10- 4mm 2) = 1800 st . 113 Vid i mo, da bi s e v roč e k ra j išče p ali c ~ že zd avna j s t a l i lo . De - l at i je t r eb a drug a če. Do mes ta , od kode r j e t reba odvajat i to - ploto, na pe l jem o vodo . Vo da se t am se gr eva in odt eka napr ej . Vzem i mo , da pr iteče v ce v vs a ko mi nu to li t e r vode . Da se li t e r vod e segreje za e no s top i nj o , pora b i 4200 J toplo t e. V mi nuti moramo odvest i i z anode 60 000 J t op l ote . Hi tr o izra č un am o, da para 'elo,Je i ga h'.dima izparitnUc s e zato voda seg re j e za oko l i 14 s to pi nj . V r e sn i c i tako hl ad e l ab orat orij s ke pri pra ve . žal pri t em por abi j o ve l iko vode . Z manj šim toko m vod e se i zgub e s i cer zmanj š a jo , ve nda r se voda bo lj segreje. Najv e č top lo te pora bijo kap l j evine za i zpare vanje . č e na j izpari ki lo gr am vode pr i 100 0 C i n 1 at , potrebu j e 2260 kJ. Pri dr ug i h s nove h je pod obno. Ko np r . i z pa r i ki lo gr am natri j a pr i 883 0 C, por a b i ka r -4220 kJ. I z anode re ntg ens ke ce vi z mo čj o 1 kW, ki bi j o na po l ni l i z vod o pr i 100 0 C, bi izpare lo 1 , 6 kg vode na uro. Vodno pa r o , ki pri t em na sta ne , l ahko č rpam o na hladnej š e mesto, kje r para odd a t opl ot o i n se konde nzira . Vodo spet up orabim o za hl aj e nj e , le č r p at i jo mor amo na zaj na mes to , ki ga hl ad imo . Ogl ejm o s i , ka ko bi zg ra di li ta ko priprav o . Glavn i s es t avni del j e praz na za prt a ce v, v kate r i je nekaj hladi Ine te ko či ne . Eno k raj išče pr it r d i mo na te l o, ki ga hočemo hladit i , drugo kraj išče pa hla di mo z z r a kom. Ko te k o č ina i zpa r i, v i z pare val- nem delu ce v i nar as t e t la k. Nasta la para potu j e zato pro t i hladn ej š emu delu c ev i , kjer j e ni ž ji tla k . Tam se par a konden- z ir a in odda toplot o. Konde nz i r ano t e kočin o č rpa mo naza j na toplej še mesto in pojav s e pon avlj a. Za hlajenje up orabljajo raz - l i čne s nov i . Za vi soke t empe r a - ture od pr i bl U no 6000 do 1 2000 C j e primeren nat ri j a li kal ij, za tem peratu r e do 1800C je prime r na tu di voda . Taki t op l otni vod ni ki s o l a hko zel o u čin koviti . Skoz i vsak kvadratni centimeter pre s e - ka vodni ka je la hko to plotni t ok t ud i v e č deset ki 1ovatov. Za črpanje hladiIne tekočine nazaj na top lej še mes to nam 114 lahko sluti kapllarnost. to j e pojavl pri katarem tekorfna v drabnfh cevkah leze naprej, Zaradl kapilarnostt s e p f v n l k hi tro napoji z rodo. Ee po narodnosti pustfrno v f s e t i brisaEo preko- r o b a kadf tako, da Je en kenec pomoten v vodo, bo brisata kaj h i t ~ o use mokra. Ea tedaj abloZime notranjo s t e n o c e v l s snovjo stkano i z k s p i l a r n i h r laken, doseZemo, da se takoEina saws Erpa nazaj na mesto, k i ga hladfmo, t e l e t e k o t t n a v c e v i mofi kapi- Tarno snov. Tako zgrajeni toplotni vodnikt so aajhni i n r e 1 0 u t f n k o v t t f . Z a t o j l h uporablJajo povsod tam, kjer za vel ike I n tefke hladi l - ne naprave n l prostora, npr. v s a t e l i t i h .