Intuitive Erklärung, warum die Geschwindigkeit der Energieübertragung von der Energiedifferenz zwischen zwei Materialien abhängt?

Ich denke, es wird hilfreich sein, in Bezug auf die Kinetik der konstituierenden Partikel zu denken. Wenn ein Objekt eine höhere Temperatur hat, ist die kinetische Energie seiner Bestandteile höher. Sie sind im Vergleich zu denen mit einer niedrigeren Temperatur mehr in Bewegung.

Wenn nun ein Objekt mit hoher Temperatur mit einem Objekt mit niedrigerer Temperatur in Kontakt kommt, wird an der Grenzfläche kinetische Energie übertragen. Energie wird in beide Richtungen übertragen, außer dass die Nettoübertragung von höher nach niedriger erfolgt. Dies liegt daran, dass es mehr Möglichkeiten gibt, Energie vom Höheren zum Niedrigeren zu übertragen. Aber wenn die Temperaturdifferenz abnimmt, nähert sich die Übertragungsrate von hoch zu niedrig und von niedrig zu hoch. Bis sie ein Gleichgewicht erreichen, wo die Energieübertragung von beiden Seiten jetzt gleich ist. Somit findet im Mittel keine Nettowärmeübertragung mehr statt.

Sie wissen, dass die Temperatur mit der mikroskopischen kinetischen Energie der Atome und Moleküle zusammenhängt, aus denen ein Material besteht. Nehmen wir der Einfachheit halber an, dass die beiden Materialien aus einatomigen idealen Gasen bestehen, wobei eines eine höhere Temperatur als das andere hat. Dann ist die Temperatur der beiden Gase ein Maß für die mittlere kinetische Energie der Gasatome, die wiederum von der Geschwindigkeit der Atome abhängt.

Wenn die beiden Gase miteinander in Kontakt gebracht werden, übertragen Kollisionen zwischen den Atomen mit höherer Geschwindigkeit des Gases mit höherer Temperatur und den Atomen mit niedrigerer Geschwindigkeit des Gases mit niedrigerer Temperatur an der Grenzfläche kinetische Energie auf die Atome mit niedrigerer Geschwindigkeit. Diese Atome bewegen sich wiederum in die Masse des Gases und kollidieren mit anderen, wobei sie ihre Geschwindigkeit erhöhen. Wenn schließlich das thermische Gleichgewicht erreicht ist, erreichen die beiden Gase eine gemeinsame Zwischentemperatur.

Wie schnell die Temperatur im Gas mit niedrigerer Temperatur ansteigt, hängt davon ab, wie schnell sich die Atome an der Grenzfläche in die Masse des Gases bewegen und mit anderen Atomen kollidieren, wodurch die kinetische Gesamtenergie erhöht wird. Wenn alle anderen Dinge gleich sind, wird dieses Eindringen umso schneller sein, je höher die Geschwindigkeit der Atome ist, nachdem sie mit den energiereicheren Atomen des Gases mit höherer Temperatur an der Grenzfläche kollidiert sind. Diese Geschwindigkeit wird umso größer, je höher die Geschwindigkeiten der Hochtemperatur-Gasatome sind, was wiederum mit der Temperatur des Gases zunimmt.

Fazit: Je größer der Temperaturunterschied, desto schneller wird Energie in das Innere des Materials mit niedrigerer Temperatur übertragen und desto schneller steigt seine Temperatur an. Für weitere Diskussionen über die Temperatur schlage ich vor, dass Sie sich die Hyperphysics-Website ansehen.

Hoffe das hilft.

Temperatur ist (um es etwas zu vereinfachen) die durchschnittliche Energie der Moleküle, und je mehr Energie jedes Molekül hat, desto mehr kann es übertragen, wenn es Moleküle im anderen Objekt berührt. Jedes Objekt gibt also proportional zur Temperatur Wärme an das andere ab. Die Nettowärmeübertragung ist die Differenz zwischen der Energie, die das heiße Objekt dem kalten gibt, und der Energie, die das kalte Objekt dem heißen gibt, was proportional zum Temperaturunterschied ist.

Stellen Sie sich zwei Freunde vor, die dem anderen jeden Tag 10 % ihres gesamten Geldes geben. Da 10 % des Geldes des reicheren Freundes absolut gesehen ein größerer Betrag sind als 10 % des Geldes des ärmeren Freundes, ist die Nettoveränderung des Geldes des ärmeren Freundes positiv und proportional zur Differenz ihres Geldes. Wenn R das Geld des reicheren Freundes ist und P das des ärmeren, dann wird der ärmere Freund 0,1 P verlieren, aber 0,1 R gewinnen, für eine Gesamtänderung von 0,1 R - 0,1 P. Wir können die 0,1 ausklammern und erhalten 0,1 (RP).

Dies gilt für die Leitung. Bei Strahlung ist die Wärmeübertragung proportional zur vierten Potenz der Temperatur, sodass die Nettoübertragung durch die Differenz in der vierten Potenz ihrer Temperaturen gegeben ist.

Eine intuitive Art, sich Hitze vorzustellen, ist wie eine Eisbahn betrunkener Rollschuhfahrer, die perfekt elastische Sumoanzüge tragen . Sie skaten in zufällige Richtungen, mit der einen Einschränkung, dass sie immer in einer geraden Linie skaten, bis sie auf etwas stoßen, an dem sie wie Billardkugeln abprallen. Die Skater haben eine zufällige Geschwindigkeitsverteilung, aber die Durchschnittsgeschwindigkeit ist die "Temperatur" des Materials.

Wenn Sie Gruppe A mit einer gemächlichen "Temperatur" von 5 mph (kaum über Schrittgeschwindigkeit) haben, die mit Gruppe B in Kontakt kommt, deren "Temperatur" 6 mph beträgt, wird es zunächst schwierig sein, überhaupt den Temperaturunterschied zu erkennen nur eine Sichtprüfung der Gruppen. Schließlich fahren sie anfangs alle annähernd gleich schnell. Die Sumo-Skater mit der höheren Geschwindigkeit aus Gruppe B werden jedoch irgendwann anfangen, auf Skater aus Gruppe A zu prallen und einen Teil ihrer höheren Energie übertragen. Da das Delta jedoch klein ist, wird es lange dauern, bis sich die Durchschnittsgeschwindigkeiten stark ändern.

Stellen Sie sich jetzt Gruppe C mit einer Temperatur von 20 mph vor. Diese Skater stehen voll auf Meth und skaten so hart sie können. Wenn sie mit Gruppe A kollidieren, werden sie den lethargischen Skatern schnell einen großen Energieschub liefern. In viel kürzerer Zeit wird die zusätzliche Energie von Gruppe C auf die langsameren Mitglieder von Gruppe A verteilt, wodurch ihre Durchschnittsgeschwindigkeit erhöht wird. Noch wichtiger ist, dass jede Kollision zwischen einem schnellen Skater und einem langsamen eine viel größere durchschnittliche Änderung ihrer beiden Geschwindigkeiten erzeugt, und diese molekulare Impulsübertragung definiert den "Wärmefluss".