5.2 Varmeoverføringer

Tre veier varmen kan reise

Vi vet nå at varme strømmer fra varmt til kaldt. Men hvordan kommer den seg fra det ene til det andre? Det finnes nøyaktig tre måter, og du møter alle tre i løpet av en vanlig dag.

Varmeledning (konduksjon) er når varme vandrer gjennom direkte kontakt -- som når skaftet på en metallskje i en varm kopp blir varmt. Konveksjon er når selve det varme stoffet, en væske eller gass, flytter på seg -- som varm luft som stiger fra en radiator. Og varmestråling (radiasjon) er energi som sendes ut som elektromagnetiske bølger -- som solvarmen som når deg tvers gjennom det tomme verdensrommet.

Alle tre kan skje samtidig, men ofte dominerer én av dem alt etter situasjonen. I dette kapittelet skal vi først se hva varme og arbeid gjør med den indre energien til et stoff, så forstå hver av de tre veiene, og se hvordan disse prinsippene avgjør om huset ditt er varmt eller trekkfullt om vinteren. La oss begynne med energien som bor i stoffet.

Indre energi -- energien som bor i stoffet

Før vi ser på hvordan varme reiser, må vi vite hva den gjør når den kommer fram. Alle partiklene i et stoff beveger seg, og de holdes sammen av bindinger. Summen av bevegelsesenergien til alle partiklene og energien i bindingene kaller vi den indre energien $U$. En kopp kaffe og et badekar ved samme temperatur har like raske molekyler, men badekaret har langt flere av dem og derfor mye større indre energi.

Den indre energien kan endres på to måter. Varme $Q$ går over fordi det er en temperaturforskjell. Arbeid $W$ overføres når en kraft virker over en strekning -- når du presser sammen lufta i en sykkelpumpe, eller når bremseklossene gnir mot bremseskivene på en bil. Energien er bevart, og det gir termofysikkens første lov:

$$\Delta U = Q + W$$

Fortegnene ser vi fra systemets side: $Q$ er positiv når systemet får varme, og $W$ er positiv når omgivelsene gjør arbeid på systemet. Får en gass $500$ J varme mens den utvider seg og gjør $200$ J arbeid på omgivelsene, er $W = -200$ J, og $\Delta U = 500 - 200 = 300$ J. Når en bil på $1200$ kg bremser fra $72$ km/h, blir $80\,\%$ av $2{,}4 \cdot 10^5$ J til indre energi i $8{,}0$ kg bremseskiver, og de blir omtrent $52$ °C varmere -- uten at noe varmere legeme har tilført dem varme. Det er arbeidet som gjør det.

Varmeledning -- stafetten gjennom materialet

Varmeledning skjer ved direkte kontakt mellom molekyler. Tenk på en metallstang du holder den ene enden av inn i en flamme. I den varme enden farer molekylene raskt rundt; de kolliderer med naboene og dytter energi videre, som en stafett gjennom materialet, fra varm til kald ende. Det avgjørende er at molekylene selv ikke reiser -- bare energien gjør det. Derfor trenger varmeledning direkte kontakt og fungerer ikke gjennom vakuum. I metaller hjelper i tillegg de frie elektronene til, og det er derfor metaller leder varme så mye bedre enn for eksempel tre.

Hvor godt et materiale leder varme, måles ved varmeledningsevnen $k$ (W/(m·K)). Forskjellene er enorme: kobber 400, aluminium 237, glass 0,8, tre 0,12, og stillestående luft bare 0,026. Gode varmeledere er metaller; gode isolatorer er tre, plast og -- overraskende nok -- luft.

Varmestrømmen gjennom et materiale blir større jo bedre materialet leder varme, jo større arealet er og jo større temperaturforskjellen er. Tykkere materiale gir mindre varmestrøm -- bedre isolasjon.

Et enkelt vindu taper derfor mye varme: glasset er tynt, og glass leder varme langt bedre enn luft. Derfor bruker vi dobbelt- og tredobbeltglass med luftlag mellom -- luftlaget er den dårlige varmelederen som redder oss.

Konveksjon og stråling -- bevegelse og bølger

Den andre veien varme reiser er konveksjon, og her flytter selve stoffet på seg. Prinsippet er en sirkulasjon: en væske eller gass varmes opp, utvider seg og blir lettere (lavere tetthet), så den stiger. Kald væske synker ned, varmes opp, og kretsløpet fortsetter. Det er derfor en radiator varmer hele rommet -- varm luft stiger, kald luft synker og varmes på nytt. Konveksjon kan være naturlig (drevet av tetthetsforskjeller, som varmluft fra en ovn) eller tvungen (drevet av en vifte eller pumpe, som i en datamaskin). Du finner den overalt i stor skala: varm luft som stiger ved ekvator skaper vindmønstre, og Golfstrømmen bringer varmt havvann helt opp til Norge og holder oss varmere enn vi ellers ville vært. I motsetning til varmeledning, der molekylene blir på plass, er det her stoffet selv som transporterer energien.

Den tredje veien er varmestråling (radiasjon), og den er den mest spesielle. Alle legemer med temperatur over det absolutte nullpunkt sender ut elektromagnetisk stråling som bærer energi. Det forbløffende er at denne strålingen ikke trenger noe medium -- den går rett gjennom vakuum, med lysets hastighet ($c = 3 \times 10^8$ m/s). Det er derfor solvarmen når oss tvers gjennom det tomme rommet; stråling er den eneste måten varme kan overføres i vakuum. Varmestrålingen fra hverdagslige objekter er infrarød og usynlig, men du kjenner den fra en peis: du føler varmen selv om lufta mellom er kald.

Hvor mye et legeme stråler, avhenger av overflaten. Mørke, matte overflater er gode til både å absorbere og sende ut stråling -- et sort legeme absorberer all stråling og sender ut mest mulig. Blanke overflater reflekterer mye og stråler lite. En grei regel: en god absorbent er også en god emitter. Dette skal vi utdype i neste kapittel.

Isolasjon og U-verdi -- å holde på varmen

Nå kan vi forstå hvordan vi holder hus varme. Isolasjon handler om å bremse alle tre varmeveiene samtidig. Trikset er nesten alltid det samme: fang luft. Stillestående luft er en utmerket isolator ($k = 0{,}026$), så isolasjonsmaterialer som mineralull, polystyren (flamingo) og cellulose er fulle av små luftlommer. De små rommene reduserer varmeledning (luft leder dårlig), hindrer konveksjon (luften får ikke sirkulere), og reflekterende overflater kan i tillegg kaste strålingen tilbake.

For å sammenligne hvor godt en hel vegg eller et vindu isolerer, bruker vi U-verdien (varmegjennomgangskoeffisienten), målt i W/(m²·K). Den forteller hvor mye effekt som lekker per kvadratmeter per grad temperaturforskjell. Sammenhengen er enkel: lav U-verdi betyr god isolasjon, høy U-verdi betyr dårlig.

Tallene viser fremgangen i byggteknikk. Et enkelt vindu har U-verdi rundt 5,0, et tredobbelt vindu 0,8, en gammel yttervegg 0,5-1,0, men en moderne vegg bare 0,18. Den norske byggforskriften TEK17 krever faktisk $U \leq 0{,}18$ for yttervegger og $\leq 0{,}8$ for vinduer.

Godt isolerte hus sparer enorme mengder energi nettopp ved å ha lave U-verdier overalt: en moderne yttervegg slipper gjennom bare en brøkdel av det et enkelt vindu taper per kvadratmeter.

Oppsummering

Den indre energien $U$ er bevegelsesenergien og bindingsenergien til alle partiklene i et stoff. Den endres av varme og arbeid etter termofysikkens første lov, $\Delta U = Q + W$, der $W$ er arbeidet omgivelsene gjør på systemet.

Varme reiser på tre måter. Varmeledning er en stafett av energi gjennom direkte kontakt -- molekylene blir på plass og gir energien videre til naboene -- og tykkere materiale gir mindre varmestrøm. Metaller har høy varmeledningsevne $k$, isolatorer som luft og tre har lav. Konveksjon er sirkulasjon der selve stoffet, varm væske eller gass, stiger og transporterer energien -- fra radiatoren i rommet til Golfstrømmen i havet. Varmestråling er elektromagnetiske bølger som bærer energi tvers gjennom vakuum med lysets fart, den eneste varmeoverføringen som virker i rommet.

Disse prinsippene styrer hvordan vi isolerer. Triks nummer én er å fange stillestående luft, som bremser både ledning og konveksjon. Vi måler isolasjonen med U-verdien (W/(m²·K)): lav er god, høy er dårlig. Forskjellen er enorm -- et enkelt vindu slipper gjennom mange ganger mer varme per kvadratmeter enn en moderne, velisolert yttervegg. Å holde husene varme handler altså ikke om å lage varme, men om å hindre de tre varmeveiene i å føre den ut.