Co to jest bilans cieplny?

Bilans cieplny osiąga się, gdy ilość ciepła wchodzącego do układu jest równa ilości ciepła opuszczającego go. Ogólna temperatura układu w bilansie cieplnym pozostaje stabilna w czasie. W niektórych przypadkach zamiast tego można użyć terminu bilans energetyczny. Systemy w dziedzinie biologii, geologii, produkcji i projektowania statków kosmicznych często muszą być utrzymywane w stabilnych temperaturach, aby mogły prawidłowo funkcjonować.

Homeostaza u zwierząt obejmuje koncepcję utrzymywania względnie stabilnej temperatury wewnętrznej zwierzęcia. W wielu organizmach, w tym ssakach i ptakach, ilość ciepła, która istnieje w organizmie, musi pozostać stała, ponieważ nawet niewielkie wahania ciepła mogą spowodować śmierć organizmu. Zwierzęta tracą ciepło przez skórę i wytwarzają ciepło poprzez metabolizm, aby zrekompensować wzrost i spadek temperatur zewnętrznych. Gdy ilość ciepła promieniującego od zwierzęcia i ilość ciepła wytworzonego lub pochłoniętego przez zwierzę są względnie równe, zwierzę to jest w stanie bilansu cieplnego.

W geologii termin bilans cieplny odnosi się do ilości ciepła pochłoniętego i uwolnionego przez całą planetę. Planeta jest ogrzewana przez słońce i, w niewielkim stopniu, przez uwalnianie magmy z jądra planety. Planeta emituje część tego ciepła z powrotem w kosmos. Bilans ciepła jest ważną koncepcją geologiczną, ponieważ jeśli planeta nie znajduje się w stanie względnej równowagi pod względem ciepła, średnie temperatury mogą wzrosnąć lub spaść, powodując globalne ocieplenie lub globalne chłodzenie. Nawet niewielka zmiana bilansu cieplnego planety może wpływać na organizmy zamieszkujące planetę.

Bilans cieplny jest ważną koncepcją w inżynierii, ponieważ wiele maszyn będzie działać tylko w określonym zakresie temperatur. Urządzenia zwane radiatorami są wykorzystywane do wypromieniowywania nadwyżki ciepła z komponentów elektrycznych, aby maszyny mogły utrzymać stabilną temperaturę. Podobnie statek kosmiczny musi utrzymywać względnie stabilne temperatury, ale jest narażony na więcej ciepła, gdy zbliżają się do źródła ciepła, takiego jak słońce lub planeta. Zaprojektowanie tych jednostek z adaptowalnymi systemami równoważenia ciepła pozwala im dalej funkcjonować podczas podróży w kosmosie.

Kiedy inżynierowie projektują fabryki, należy wziąć pod uwagę bilans cieplny operacji fabryki. W wielu przypadkach ciepło jest emitowane z fabryki w postaci dymu lub pary. Może to marnować energię, którą fabryka mogłaby poddać recyklingowi, pomagając obniżyć koszty eksploatacji. Fabryka z dobrym bilansem cieplnym znajduje zastosowanie dla większości dodatkowego ciepła, które wytwarza.