Varme

Historie

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 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 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.

Varmetransportmekanismer

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.

Varmeledning

Varmeledning eller termisk konduksjon en 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

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 konveksjon (eller naturlig konveksjon) drevet av tyngde/oppdrifts-krefter, og tvungen konveksjon som krever en vifte, pumpe eller liknende.
Oppdrifts-konveksjon skyldes tyngdekraften, og er fraværende under mikrogravitasjonsforhold.

Stråling

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.

Varmetap

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/m² oppvarma golvareal ved en temperaturforskjell på én grad mellom inne og ute. Varmetapstallet viser det samla varmetapet pga. varmetransmisjon gjennom yttervegg, ventilasjon og infiltrasjon i undergrunnen.