Wat is een temperatuurgradiënt?
Een temperatuurgradiënt is de geleidelijke variantie in temperatuur met afstand. De helling van het verloop is consistent binnen een materiaal. Er wordt een gradiënt vastgesteld telkens wanneer twee materialen bij verschillende temperaturen in fysiek contact met elkaar staan. Meeteenheden van temperatuurgradiënten zijn graden per afstandseenheid, zoals ° F per inch of ° C per meter.
Veel temperatuurgradiënten bestaan van nature, terwijl andere worden gecreëerd. De grootste temperatuurgradiënt op aarde is de aarde zelf. De temperatuur van de aardkern wordt geschat op ongeveer 9.000 ° F (5.000 ° C); het is 6650 ° F (3700 ° C) op de grens tussen de kern en de mantel, terwijl de korsttemperatuur ongeveer 93 ° C (200 ° F) is. Elke laag heeft een temperatuurgradiënt van een andere helling, afhankelijk van de warmtegeleiding van de laag.
Er bestaat geen temperatuurgradiënt tussen de aarde en de zon omdat er geen atmosfeer tussen is. Warmtecapaciteit is het vermogen van een materiaal om warmte vast te houden. Een vacuüm heeft geen warmtecapaciteit.
Convectie vernietigt een thermische gradiënt. Bij het verwarmen van een pot saus wordt de vloeistof die zich het dichtst bij de brander bevindt de heetste. Bij roeren mengt de hete vloeistof met koelere vloeistof, wordt de warmte gelijkmatig verdeeld en wordt de temperatuurgradiënt tenietgedaan.
Als het niet wordt geroerd, zal convectieve warmteoverdracht warme vloeistof doen stijgen en koude laten vallen, en enige circulatie zal optreden, hoewel het niet zo effectief is als actief roeren. Na verloop van tijd zullen de geleidingskrachten die warmte van de bodem overbrengen, een evenwicht tot stand brengen met de convectiekrachten waardoor het water circuleert. Als de warmtebron laag is, zal de circulatie langzaam zijn, kan een steile temperatuurgradiënt bestaan en kan de saus op de bodem worden verbrand. Als de hitte hoog is, kookt de saus, zal de warmteoverdracht door convectie hoog zijn en zal de temperatuurgradiënt bijna nul zijn.
Isolatie wordt gebruikt om de warmteoverdracht te vertragen door materiaal met een lage warmtegeleiding naast de warmtebron te plaatsen. De isolatie helpt de thermische gradiënt tussen het geïsoleerde object en de omgevingscondities te handhaven. Koffie blijft warmer in een schuimbeker dan in een aluminiumbeker omdat het schuim minder gemakkelijk warmte geleidt. Evenzo kan de koffiedrinker een paar vingers verbranden die de aluminium beker oppakken omdat de thermische gradiënt bijna nul is en de temperatuur van de buitenkant van de beker bijna hetzelfde is als de binnenkant van de beker.
Om stabiel te zijn, moet een thermische gradiënt een constante warmtebron en een beschikbaar koellichaam hebben. Het handhaven van constante gradiënten is zelden belangrijk, behalve bij het uitvoeren van chemische reacties. Veel industriële processen vereisen zorgvuldige warmtebeheersing. De levende cel moet ook zorgvuldige hittebeheersing handhaven voor optimale prestaties. Hoewel wetenschappers begrijpen hoe het menselijk lichaam als geheel een temperatuurgradiënt handhaaft tussen de kern en de buitenwereld, zijn de opties die beschikbaar zijn voor individuele cellen minder duidelijk.