Hvordan overføres varme (rumopvarmning) – Niels Bohr Institutet - Københavns Universitet

Niels Bohr Institutet > Spørg om fysik > ? om Fysik > Hvordan overføres varm...

22. november 2008

Hvordan overføres varme (rumopvarmning)

Hej Malte
Hvorledes overføres varme? Hvordan kommer varme fra metal over i luft, eksempelvis i en almindelig radiator?

Varme er i virkeligheden udtryk for, hvor hurtigt stoffets molekyler bevæger sig. Jo hurtigere molekylebevægelser, desto højere varmegrader.

Når varmen fra en radiator skal overføres til luften i et køligt rum, skal de hurtige molekylebevægelser i metallet altså overføres til luftens molekyler.

Det kan ske på tre måder:

1. Konduktion er varmeoverførsel direkte mellem kemiske stoffer. Den opstår, når hurtige molekyler fra det varmeste stof rent fysisk støder ind i det kolde stofs langsommere molekyler og derved skubber dem op i en højere hastighed. Hvis luften stod fuldstændigt stille, ville en radiator have meget svært ved at opvarme et rum ved konduktion alene. Varmen skulle nemlig overføres fra det ene luftmolekyle til det næste tværs gennem stuen.

2. Men luften står ikke stille. Den opvarmede luft ved radiatorens overflade stiger til vejrs og bliver erstattet af kold luft, som derpå selv opvarmes og stiger til vejrs. På den måde transporteres de varme luftmolekyler rundt i rummet, og det øger varmeoverførslen væsentligt. Denne form for varmetransport kaldes konvektion.

3. Den sidste form for varmeoverførsel sker ved hjælp af stråling. Elektronerne i den varme radiator afgiver en del af deres energi i form af elektromagnetiske bølger i det infrarøde spektrum. Disse varmestråler er usynlige, men når de rammer luftens molekyler, overføres energien til dem. Det får molekylerne til at bevæge sig hurtigere, og derved stiger temperaturen i stuen.

Hvordan er fordelingen af de tre varmeformer i rummet i et vilkårligt punkt, hvis vi forudsætter en ligevægt, hvor rummet ikke taber energi.?

Jeg har set andetsteds følgende fordeling:
65-75% varmestråling, 20-25% konvektion og 5-10% konduktion. Er det nogenlunde sådan fordelt ?

Med venlig hilsen
F R

Hvis man behandler et rum uden energitab, er sagen uinteressant, så kan man opvarme rummet til hudtemperatur bare ved at være der et stykke tid, Varmen vil så fordele sig ved stråling og konvektion (luftstrømninger). I denne "termoflaske" vil temperaturen derefter stige, til energiproduktionen er slut.

Har man et virkeligt rum er der tab i vægge, loft og gulv (og træk) dvs. der afkøles luften. Hvis man vil have det komfortabelt, skal der derfor tilføres energi i en strøm, der passer med, hvad der afgives.

Det afhænger så efter min vurdering af varmesystemet.

1. Aircondition (luftvarme). Sker opvarmningen på den måde, er alle vægge bortset fra et ganske lille areal omkring indblæsningen, på en ligevægtstemperatur, som svarer til det der bestemmes af isolationen, temperaturen på den anden side af væggene og den opvarmningen fra luften, der er ingen varmeledning stort set, som bidraget til den generelle rumopvarmning. den forbistrømmende luft giver inderfladerne. Der er stort set tale om konvektion frembragt af temperaturforskellene, som der også er i alle de øvrige måske med mindre bidrag i 4).

2. Vandfyldte radiatorer (eller el-radiatorer af den permanent opsatte type, som ikke må blive særligt varme udenpå, man må ikke kunne brænde sig. Der findes også (normalt flytbare) el. radiatorer med stråling, brødristertypen, men det er normalt nødforanstaltninger).

Disse kan monteres på forskellige måder: Under en rist i en forsænkning i gulvet, situationen er som i 1). Bag en radiatorskjuler af træ, situationen er stort set som 1). Under vinduerne. Dette er en blanding af ganske lidt stråling (planckstråling ved ca. 45 ⁰C, planckkurverne ved den temperatur er meget flade og toppen langt ude i UV, vi kan kun føle strålingen på siden af radiatoren på måske 10 - 15 cm afstand, ovenover kan vi let føle den varme opadstigende luft) og mest konvektion.

Bortset fra den varmeledning, som er nødvendig for at få varmen fra vandet overført til jernet i radiatoren og videre igennem jernet til ydersiden af radiatoren, er der stort set ikke konduktion (radiatoren hænger i to små beslag og et par rør)

3. Gulvvarme som 2) idet strålingsbidraget er mindre da temperaturen er lavere. Her er der naturligvis varmeledning igennem gulvet, men det er bare forudsætningen for opvarmningen.

4. Brændeovne til træ, åbne gasfyr,, kulfyr og lignende. Her er tale om temperaturer imellem 500 og 1000 ⁰C. Her er en betydelig stråling, som ofte kan føles på flere meters afstand, idet maksimum på planckkurverne er højere og nærmere det synlige lys. Desuden er de fleste ovne (bortset fra murstenspejse af gammel konstruktion) indrettet til at trække luften ind bag en kappe og opvarme den. Der er her en blanding af stråling og konvektion. Bortset fra den varmeledning, som er nødvendig for at ilden kan opvarme ovnens ydersider (igennem metallet), har varmeledning ikke betydning.

Kun i 4) er der tale om et betydeligt strålingsbidrag ellers konvektion. Jeg har ikke sat procenttal på, de findes sikkert i varmedesignmanualer til forskellige varmeteknikere, VVS-folk, arkitekter mm., men det falder ikke rigtigt ind i min spalte at opsnuse dem, og jeg tror ikke, at de er særligt interessante set fra et fysisksynspunkt.

Om Planckkurver se også i denne spalte: Ild, glødelampelys og Poissons plet

Med venlig hilsen
Malte Olsen