Varme

Varme (med standardsymbol Q) er, etter en streng definisjon, termisk energi overført fra et sted med høyere temperatur til et sted med lavere temperatur. SI-enheten for varme er Joule (J). Som folkelig begrep blir ordet som regel brukt om temperatur; en sier gjerne at en gjenstand med høy temperatur er varm. SI-enheten for temperatur er Kelvin (K).

Varme strømmer mellom områder som ikke er i termisk likevekt med hverandre. Varme strømmer fra områder med høy temperatur til områder med lav temperatur. Alle fysiske objekter har en gitt mengde indre energi som er knyttet til den tilfeldige bevegelse av deres molekyler (eller atomer for monoatomære substanser). Denne indre energien er positivt korrelert med objektets temperatur. Hvis to objekter med ulik temperatur er i termisk kontakt, vil de utveksle energi helt til temperaturene er utjevnet. Mengden energi utvekslet er den samme som overført varme.

Studier av varme kom skikkelig i gang etter at Fahrenheit oppfant et nøyaktig termometer i 1714. På den tiden trodde man at varme var en substans kalorikk som det fantes mer av i et materiale ved høy temperatur enn ved lavere temperatur. Denne substansen ble fjernet ved avkjøling og tilført ved oppvarming. Men i 1798 kunne Benjamin Thompson (Grev Rumford) vise at varme kunne oppstå ved mekanisk arbeid. Dette var i motstrid med antagelsen av en egen varmesubstans.

Mer enn førti år senere ble det gjennom arbeidene til legen J. R. Mayer og fysikeren J. P. Joule klart at varme ikke var noe annet enn en form for energi. De beviste dette ved å finne en kvantitativ sammenheng mellom en varmemengde og det ekvivalente, mekaniske arbeidet. Idag er dette formulert ved relasjonen 1 cal = 4,18 J mellom den gamle enheten kalori for varme og SI-enheten Joule for arbeid. Dette ble så formulert som et generelt prinsipp om energiens bevarelse av den tyske fysiker og fysiolog Hermann von Helmholtz i 1847. Her tok han med alle former av energi. I dag omtales denne naturloven som termodynamikkens første hovedsetning.^[1]

Varmeinnhold, varmeoverføring og varmetetthet (varmefluks) symboliseres alle med varianter av bokstaven Q. De blandes derfor i ulike sammenhenger.

• Varmeinnhold skrives Q, og måles i joule (J).
• Varmeoverføring eller varmestrøm, betegnes

${\displaystyle {\dot {Q}}={dQ \over dt}}$

Den måles i J/s eller W (Watt).

• Varmestrømtetthet eller varmefluks defineres som varme per tid forløpt og gjennomstrømmet areal og betegnes q og måles i W/m².

Varmemengden ${\displaystyle Q}$ som kreves for å endre temperaturen for et materiale fra en start-temperatur T₀ til en slutt-temperatur T_f  avhenger av varmekapasiteten til materialet etter relasjonen:

${\displaystyle Q=\int _{T_{0}}^{T_{f}}C_{p}\,dT.}$

Varmekapasiteten avhenger både av mengden materiale som utveksler varme og materialets egenskaper, samt temperatur. Varmekapasiteten kan faktoriseres på ulike måter. Først og fremst kan den representeres som produktet av masse og spesifikk varmekapasitet (ofte forenklet kalt spesifikk varme):

${\displaystyle C_{p}=mc_{s}}$

eller produktet av antall mol og molar varmekapasitet:

${\displaystyle C_{p}=nc_{n}.}$

Både molar og spesifikk varmekapasitet avhenger kun av de fysikalske egenskaper for materialet som varmes opp, ikke av særskilte egenskaper ved materialprøven som sådan. Den varmekapasitet kan uttrykkes på to måter, avhengig av om temperaturendringen foregår ved konstant volum eller konstant trykk.^[2]

En kokende kjele med vann ved normalt atmosfæretrykk ved havoverflaten vil ha en temperatur på 100 °C uansett hvor mye varme som tilføres(fram til alt vannet er fordampet). I stedet vil varmen bidra til å endre vannets fase eller aggregattilstand fra væske til vanndamp. Varmen som endrer vannets fase kan sies å være skjult, da den ikke bidrar til å endre den målbare temperaturen, og betegnes derfor latent varme (fra det latinske ordet for skjult). Latent varme er varme per enhet som er nødvendig for å endre aggregattilstanden for en gitt enhet av et stoff. Dvs.:

${\displaystyle L={\frac {\Delta Q}{\Delta m}}}$

og

${\displaystyle Q=\int _{M_{0}}^{M}L\,dm}$

hvor M₀ er massen som i utgangspunktet er i den nye tilstanden, og M er massen som til slutt er i den nye fasen.^[3]

Den latente varmen L er normalt uavhengig av massen som endrer fase. Noen ganger kan den være tidsavhengig hvis trykk og volum varierer med tiden, slik at integralen kan skrives:

${\displaystyle Q=\int L{\frac {dm}{dt}}dt.}$

Som nevnt ovenfor vil varme søke å flytte seg fra et område med en gitt temperatur til et område med lavere temperatur. Denne varmetransporten foregår via en eller flere av mekanismene varmeledning, konveksjon og stråling, men aldri med mer enn to på en gang. ^{[trenger referanse]}

Varmeledning eller termisk konduksjon er den vanligste måten varme transporteres i et faststoff. I en mikroskopisk skala foregår varmeledningen ved at varme, hurtigbevegende eller vibrerende atomer eller molekyler vekselvirker med naboatomer og/eller -molekyler og derigjennom overfører noe av sin energi til disse naboene.

Metaller i fast form har stor varmeledningsevne, grunnet at gitterstrukturen til atomene i metallet gjør overføringen av energi ved konduksjon svært effektivt.

Peltier-Seebeck-effekten fenomenet er at en temperaturgradient setter opp et elektrisk felt i et elektrisk ledende stoff. Termoelektrisitet oppstår fra relasjonen mellom elektronene, varmestrømmer og elektriske strømmer.

Konveksjon er normalt den dominerende varmetransport-mekanismen i væsker og gasser. Konveksjon er strømning i et fluid. For eksempel når vann varmes i en kjele på en komfyrplate, vil varmt vann fra bunnen av kjelen stige opp slik at det blander seg med det kaldere vannet i overflaten eller tvinger dette ned mot bunnen. Det er vanlig å skille mellom to typer konveksjon, fri eller naturlig konveksjon drevet av oppdrifts-krefter, og tvungen konveksjon som krever en vifte, pumpe eller liknende.

Stråling er også en varmeutvekslingsmekanisme. Det er den eneste varmeutveksling som foregår i fravær av et transportmedium, og derfor eneste måten varme kan transporteres gjennom vakuum. Varmestråling er et direkte resultat av atom/molekyl-bevegelser i materialet. Siden disse atomene og molekylene inneholder ladete partikler (protoner og elektroner), vil deres bevegelser gi en utsendelse av elektromagnetisk stråling som frakter energi vekk fra overflaten. Samtidig vil den samme overflaten bestråles fra omgivelsene. Mengden utsendt stråling øker med temperaturen. Netto strålingsutveksling vil gå i pluss eller minus avhengig av hvor stor miksen av temperaturer på overflatene som deltar er i forhold til egen overflatetemperatur.

For objekter ved romtemperatur (~300 K) vil de fleste fotonene som sendes ut fra overflaten være i den infrarøde delen av spekteret. Det betyr ikke at dette er det eneste frekvensområdet som bidrar til strålingen. Frekvensene som sendes ut avhenger i stor grad av overflatens struktur og stoffet den består av. For varme objekter som et bål med temperaturer rundt 700 K vil de mest intense frekvensene ligge i den synlige del av spekteret. Hver gang elektromagnetisk stråling sendes ut og deretter absorberes blir varme overført. Dette prinsippet brukes f.eks. i mikrobølgeovner og ved laserskjæring.^[4]

Ved bruk av latent varme kan varme overføres ved endring av aggregattilstand slik som vann-til-is og vann-til-damp. Dette innebærer en energiomvandling og utnyttes på forskjellige vis i dampmaskiner og kjøleskap. Latent varme og kapillæreffekt kan også utnyttes som heat pipe for å fjerne varme, for eksempel i bærbare PC-er.

I kalde klimaer representerer varmetap fra oppvarmede hus et betydelig energisluk selv om de stadig blir bedre isolert. Dette skyldes økende krav til komfort og derigjennom høyning av temperaturnivå. I slike hus vil bruk av termostater satt til kritisk komfort-temperatur bidra til å begrense oppvarmingsbehovet. Temperatursenking på natten og når ingen er til stede i huset, bidrar også. Som mål på en bygnings varmetap brukes varmetapstallet, som er varmetapet i W/(m²K), det vil si W per m² oppvarmet bruksareal (BRA) per K (°C) temperaturforskjell. Varmetapstallet viser det samla varmetapet pga. varmetransmisjon gjennom yttervegg, ventilasjon og infiltrasjon i undergrunnen.

• Indre energi
• Kuldeanlegg
• Varmepumpe
• Varmeanlegg

• Varmetapskalkulator for beregning av varmetapstall for boliger