Thermische analyse
Verklarende woordenlijst

Advectie verwijst naar het transport van een substantie door de bulkbeweging van een vloeistof. Het wordt specifiek geassocieerd met de beweging van een groot aantal moleculen, collectief of als aggregaten in de vloeistof. Wanneer een temperatuurgradiënt aanwezig is, draagt deze collectieve beweging bij aan de warmte- of massatransport. In de context van warmtetransport is advectie synoniem met de bulkvloeistofbeweging die bijdraagt aan de algehele warmteoverdracht naast de willekeurige moleculaire beweging (diffusie).

Het Biot-getal Bi is een dimensieloze parameter die een fundamentele rol speelt in warmtegeleidingsproblemen waarbij oppervlakteconvectie-effecten optreden. Het Biot-getal wordt gedefinieerd als de verhouding van de inwendige thermische weerstand van een vast materiaal tot de thermische weerstand aan het grensvlak tussen vaste en vloeistof. Wiskundig wordt het uitgedrukt als:

$$Bi = \frac{h L}{k}$$

Met:

• h de convectieve warmteoverdrachtscoëfficiënt [W/m².K]
• L is een karakteristieke lengte (zoals de dikte van een vast stof) [m]
• k is de thermische geleidbaarheid van de vaste stof [W/m.K]

Het Biot-getal is een maat voor de temperatuurdaling in de vaste stof ten opzichte van het temperatuurverschil tussen het grensvlak van de vaste stof en de vloeistof. Het wordt gebruikt om het belang van convectieve warmteoverdracht ten opzichte van geleidende warmteoverdracht in een gegeven systeem te evalueren.

Koken is het proces waarbij verdamping plaatsvindt aan het grensvlak tussen vaste stof en vloeistof. Het ontstaat wanneer de temperatuur van het oppervlak de verzadigingstemperatuur die overeenkomt met de vloeistofdruk overschrijdt. Warmte wordt overgedragen van het vaste oppervlak naar de vloeistof, wat leidt tot de vorming van dampbellen, die groeien en zich losmaken van het oppervlak. Het kookproces wordt beïnvloed door factoren zoals overmatige temperatuur, de aard van het oppervlak, thermofysische eigenschappen van de vloeistof en opwaartse krachten.

Zie geleiding.

Convectie verwijst naar de wijze van warmteoverdracht die zowel energieoverdracht door de bulkbeweging van de vloeistof (advectie) als de willekeurige beweging van vloeistofmoleculen (geleiding of diffusie) omvat. Het vindt plaats wanneer een bewegende vloeistof in contact komt met een oppervlak met een andere temperatuur, resulterend in de overdracht van warmte. De interactie tussen de vloeistof en het oppervlak leidt tot de ontwikkeling van een snelheidsgrenslaag in de vloeistof, waar de snelheid varieert van nul aan het oppervlak tot een eindige waarde geassocieerd met de vrije stroming.

Diffusion is the movement of molecules from an area of high concentration to an area of low concentration. It is a process by which molecules spread out and mix with other molecules due to their random motion. In the context of mass transfer, diffusion refers to the movement of a species in a mixture as a result of a concentration difference. This process is governed by Fick's law, which describes the diffusive flux of a species in terms of the concentration gradient and the binary diffusion coefficient.

Diffusivity is a measure of how quickly a substance will spread or diffuse. It can be defined as the proportionality constant between the flux of a substance and the concentration gradient of that substance. In the context of mass transfer, diffusivity specifically refers to the rate at which a particular species within a mixture will spread or diffuse.

Dynamic viscosity, denoted by the symbol μ, is defined as the measure of a fluid's resistance to shear or angular deformation. It quantifies the internal friction within the fluid as it flows, and it is a key property that determines the fluid's behavior under shear stress. In the context of a Newtonian fluid, the dynamic viscosity is directly proportional to the rate of shear deformation. It is measured in units of [Pa·s] in SI units. Alternative units include [lbm/ft·h] and [lbf·h/ft²].

Verdamping is het proces waarbij een vloeistof verandert in een gas of damp. Dit gebeurt wanneer de moleculen van een vloeistof voldoende energie verkrijgen om los te komen uit de vloeibare fase en de gasfase te betreden. De energie die nodig is voor verdamping komt gewoonlijk uit de omgeving, en het proces leidt tot een afkoelend effect op de omgeving. In de context van warmte- en massaoverdracht is verdamping een sleutelaspect van processen zoals verdampingskoeling, waarbij de overdracht van energie en massa tussen een vloeistof en zijn omgeving cruciaal is.

Fourier's law is a fundamental principle governing heat conduction, expressing the relationship between the heat flux (the rate of heat transfer per unit area) and the temperature gradient (the rate of change of temperature with distance) in a material. It is given by the equation

$$q = -k \nabla T$$

Where:

• q is the heat flux [W/m²]
• k is the thermal conductivity of the material [W/m.K]
• ∇T represents the temperature gradient [K/m]

Fourier's law indicates that the heat flux is proportional to the negative of the temperature gradient, and it applies to all forms of matter, including solids, liquids, and gases. The law provides a means to calculate the heat transfer within a material based on the temperature distribution and is essential for understanding and analyzing conduction heat transfer in various physical systems.

Heat flux, denoted by the symbol q'', is the rate of heat transfer per unit area. It is a measure of the amount of heat energy that passes through a surface per unit time. Mathematically, it is defined as the heat transfer per unit time per unit area and is expressed in units of watts per square meter [W/m²].

Kinematic viscosity, denoted by the symbol ν, is a fluid property defined as the ratio of the dynamic viscosity, measured in [Pa⋅s], to the mass density, measured in [kg/m³]. It has units of [m²/s]. Kinematic viscosity is a measure of a fluid's resistance to flow under the influence of gravity, and it provides insight into the fluid's internal friction and ability to deform. In the context of fluid dynamics, kinematic viscosity plays a crucial role in determining the behavior of boundary layers, diffusion, and the overall flow characteristics of a fluid.

Latent heat refers to the energy associated with a phase change of a substance, such as from solid to liquid, liquid to gas, or vice versa. This energy is not related to a change in temperature, but rather to the change in state of the substance. For example, when a liquid evaporates and turns into a gas, or when a gas condenses into a liquid, the energy involved in this phase change is known as latent heat. It's important to note that this energy is not directly related to the temperature of the substance, but rather to the change in its physical state.

Newton's law of cooling is a fundamental principle in heat transfer. It states that the rate of heat transfer between a surface and a fluid is proportional to the temperature difference between the surface and the fluid. Mathematically, it can be expressed as:

$$q'' = h \cdot \left( T_s - T_{\infty} \right)$$

Where:

• q'' is the heat flux [W/m²]
• h is the convection heat transfer coefficient [W/m²⋅K]
• T_s is the surface temperature [K]
• T_∞ is the fluid temperature away from the surface [K]

This law is essential for understanding the heat transfer process between a surface and a fluid, and it provides a basis for analyzing convective heat transfer in various engineering applications.

The Reynolds number, denoted as Re, is a dimensionless quantity used in fluid mechanics to predict flow patterns in different fluid flow situations. It represents the ratio of the inertial forces to the viscous forces within a fluid. The Reynolds number is calculated using the formula:

Re = (ρ * u * L) / μ

Where:

• ρ is the density of the fluid [kg/m³]
• u is the velocity of the fluid [m/s]
• L is a characteristic length (such as the diameter of a pipe or the distance from the leading edge for flow over a flat plate) [m]
• μ is the dynamic viscosity of the fluid [Pa.s].

When the Reynolds number is small, the viscous forces dominate, and the flow remains laminar. Conversely, when the Reynolds number is large, inertial forces dominate, leading to turbulent flow. The critical value at which the transition from laminar to turbulent flow occurs varies depending on the specific flow situation.

Een thermische grenslaag ontwikkelt zich wanneer er een temperatuurverschil aanwezig is tussen de vrije stroming van de vloeistof en het oppervlak waarover de vloeistof stroomt. Deze grenslaag is fundamenteel voor problemen die warmteoverdracht en convectietransport betreffen. Het is van belang voor ingenieurs vanwege de relatie met oppervlakteschuifspanning, oppervlakte wrijvingseffecten en warmteoverdrachtsnelheden. De dikte van de thermische grenslaag wordt beïnvloed door verschillende factoren, zoals het Prandtl-getal en de afstand van de voorrand van het oppervlak.

Thermal radiation refers to the electromagnetic energy emitted by matter as a result of its temperature. It is concentrated in the spectral region from approximately 0.1 to 100 μm. The emission of thermal radiation is associated with the oscillations or transitions of the many electrons that constitute matter, which are sustained by the internal energy and temperature of the matter. All forms of matter emit thermal radiation, and it is a key factor in the transfer of heat energy between surfaces and their surroundings. This process is crucial in understanding the cooling of hot solids, energy balance in surfaces, and the environmental radiation balance, including the impact of solar radiation on the Earth's atmosphere.

Vaporization is the conversion of a substance from a liquid or solid state into a vapor or gas phase. This can occur through boiling, which is a rapid vaporization that happens at the boiling point of the liquid, or through evaporation, which is a slower process that occurs at the surface of a liquid below its boiling point.

Een snelheidsgrenslaag ontwikkelt zich wanneer er een vloeistofstroom over een oppervlak aanwezig is. Deze grenslaag wordt gekenmerkt door een dunne laag vloeistof waarin snelheidsgradiënten en schuifspanningen groot zijn, terwijl buiten deze laag, snelheidsgradiënten en schuifspanningen verwaarloosbaar klein zijn. De dikte van de grenslaag, aangeduid als δ, is de afstand van de wandk waarop de vloeistofsnelheid 0.99 keer de snelheid van de vrije stroming bereikt (of anders uitgedrukt 99% van de snelheid van de vrije stroming). Hoe verder weg stroomafwaarts van de voorrand toeneemt, hoe meer de effecten van viscositeit verder doordringen in de vrije stroming, waardoor de grenslaag groeit. De snelheidsgrenslaag is van fundamenteel belang voor problemen die convectietransport betreffen en is gerelateerd aan oppervlakteschuifspanning en wrijvingseffecten.