Теплоизлучение и теплопроведение. Роль конвекции в теплообмене

Передача тепла или теплообмен это процесс распространения внутренней энергии в пространстве с разными температурами.

Теплопроводность это способность веществ и тел проводить энергию (тепло) от частей с высокой температурой к частям с более низкой. Такая способность существует за счет движения частиц. Энергия может передаваться между телами и внутри одного тела. Нагревая в пламени один конец гвоздя, мы рискуем обжечься о другой его конец, не находящийся в пламени.

Теплоизлучение и теплопроведение. Роль конвекции в теплообмене

В начале развития науки о свойствах тел и веществ считалось, что тепло передается путем перетекания «теплорода» между телами. Позже, с развитием физики, теплопроводность получила объяснение взаимодействием частиц вещества. Электроны в нагреваемом над огнем участке гвоздя движутся активнее и через столкновения отдают тепло медленным электронам в части, которая не подвергается нагреванию.

Виды теплообмена и способы передачи тепла

Теплоизлучение и теплопроведение. Роль конвекции в теплообмене

В физике выделяют несколько видов теплообмена:

  1. Теплопроводность – свойство материалов передавать через свой объем поток тепла путем обмена энергией движения частиц.

  2. Конвекция – перенос тепла, осуществляемый перемещением неравномерно прогретых участков среды (газа, жидкости) в пространстве.

  3. Излучение – в данном случае перенос тепла в вакууме или газовой среде осуществляется электромагнитными волнами.

Рассмотрим сущность и назначение каждого из видов теплообмена.

Теплопроводность

В большинстве случаев виды теплообмена тесно связаны и проходят одновременно. Конвекция всегда дополняется теплопроводностью, так как при движении объема среды всегда имеется взаимодействие частиц с разными температурами. Такой процесс имеет название конвективного теплообмена. 

Теплоизлучение и теплопроведение. Роль конвекции в теплообмене

Примером такого типа теплообмена является остывание горячего чая, налитого в холодную металлическую кружку. Отдача тепла может сопровождаться его излучением, тогда в переносе теплоты участвуют все три вида: теплопроводность, конвекция, тепловое излучение.

Рассмотрим более подробно теплопроводность.

Этот вид теплообмена присущ твердым телам, но присутствует так же в жидкостях и газах. В твердых телах теплопроводность является основным видом теплообмена и напрямую зависима от природы вещества, его плотности, химического состава, влажности, температуры.

Разные тела и вещества имеют разную теплопроводность. Количественным показателем теплопроводности служит коэффициент теплопроводности, он обозначается буквой λ (лямбда). Чем выше плотность, влажность и температура тела, тем больше λ.

Теплоизлучение и теплопроведение. Роль конвекции в теплообмене

Проведение тепла происходит за счет взаимодействий между частицами. Конечной целью процесса будет выравнивание внутренней температуры по всему телу. Теплопроводность жидкостей меньше, чем у твердых тел, у газов – меньше, чем у жидкостей. Причиной является большое расстояние между молекулами в жидкостях, особенно в газах. 

Низкая теплопроводность воздуха издавна используется при изготовлении двойных оконных рам. Теплопроводность воздуха гораздо ниже теплопроводности стекла. Воздушная прослойка межу стеклами защищает от зимней стужи.

Теплоизлучение и теплопроведение. Роль конвекции в теплообмене

Плохая теплопроводность, появившаяся в процессе эволюции в качестве защиты от критических температур, у живых организмов. Шерсть, пух, волосы, жир обладают очень низкой теплопроводностью. Именно поэтому мы не мерзнем зимой в теплых носках, песцы могут спать на снегу, а моржи выживают в условиях Арктики за счет жировой прослойки.

  • В таблице приведены примеры материалов, веществ и сред с наименьшей и наибольшей теплопроводностью.
  • Таблица 1

Теплоизлучение и теплопроведение. Роль конвекции в теплообмене

Исходя из данных, приведенных в таблице, можно сделать некоторые выводы:

  1. В вакууме тепло не проводится. Передача тепла в вакууме может происходить с помощью излучения. Таким способом тепло Солнца доходит до нашей планеты.

  2. Материал с наивысшей теплопроводностью называется графен, который активно используется в наноэлектронике.

  3. Металлы тоже достаточно теплопроводные. Известно, как быстро нагревается металлическая ложка в горячем супе.

  4. Строительные материалы обладают низкой теплопроводностью, что и обуславливает их использование для возведения теплых и надежных жилищ.

С понятием теплопроводности тесно связано понятие теплоемкости.

Теплоизлучение и теплопроведение. Роль конвекции в теплообмене

Теплоемкостью называют количество тепла, которое поглотило тело (вещество), чтобы его температура повысилась на 1 градус. Действительно, для повышения температуры металлического стержня на 1 градус, необходимо, чтобы он обладал теплопроводностью для равномерного нагревания всего объёма.

Знания о теплопроводности веществ и материалов необходимы в строительстве, промышленности, быту. Степень теплопроводности материала обуславливает его применение в той или иной сфере. Разработка и поиск новых веществ с уникальными теплоизоляционными свойствами – важнейшая задача современной науки.

Конвекция

При конвекции энергия передается потоками, возникающими в различных средах. 

Теплоизлучение и теплопроведение. Роль конвекции в теплообмене

В зависимости от причины возникновения, процессы этого типа теплообмена делят на естественную и вынужденную конвекцию:

  1. Естественная конвекция возникает под влиянием естественных сил: неравномерного прогрева, силы тяжести. Процессы естественной конвекции происходят на планете ежеминутно.

    Появление облаков, формирование атмосферных фронтов, циклонов и антициклонов в атмосфере возможно благодаря этому процессу. Воды мирового океана так же подвержены процессам конвекции, в результате образуются океанические течения.

    Движение тектонических плит так же обусловлено конвективными процессами.

  2. Вынужденная конвекция — зависит от присутствия внешних сил. Например, при помешивании ложкой горячий чай остывает именно за счет этого явления.

Излучение

Излучение тепла является электромагнитным процессом. Тепло выделяют любые тела, температура которых выше 0 К. 

Тепло излучается телами благодаря тому, что любое вещество состоит из молекул и атомов, а они, в свою очередь, из заряженных протонов и электронов. Таким образом, любое тело оказывается пронизанным электромагнитным полем.

Лекция 11. Способы переноса теплоты. Температурное поле. Теплопроводность. Конвекция. Излучение. Теплообмен. Теплопередача

Теплота — кинетическая часть внутренней энергии вещества, определяемая интенсивным хаотическим движением молекул и атомов, из которых это вещество состоит. Мерой интенсивности движения молекул является температура.

Количество теплоты, которым обладает тело при данной температуре, зависит от его массы; например, при одной и той же температуре в большой чашке с водой заключается больше теплоты, чем в маленькой, а в ведре с холодной водой его может быть больше, чем в чашке с горячей водой (хотя температура воды в ведре и ниже).

Теплота играет важную роль в жизни человека, в том числе и в функционировании его организма. Часть химической энергии, содержащейся в пище, превращается в теплоту, благодаря чему температура тела поддерживается вблизи 37 градусов Цельсия.

Тепловой баланс тела человека зависит также от температуры окружающей среды, и люди вынуждены расходовать много энергии на обогрев жилых и производственных помещений зимой и на охлаждение их летом. Большую часть этой энергии поставляют тепловые машины, например котельные установки и паровые турбины электростанций, работающих на ископаемом топливе (угле, нефти) и вырабатывающих электроэнергию.

До конца 18 в. теплоту считали материальной субстанцией, полагая, что температура тела определяется количеством содержащейся в нем «калорической жидкости», или «теплорода». Позднее Б.Румфорд, Дж.

Джоуль и другие физики того времени путем остроумных опытов и рассуждений опровергли «калорическую» теорию, доказав, что теплота невесома и ее можно получать в любых количествах просто за счет механического движения.

Теплота сама по себе не является веществом – это всего лишь энергия движения его атомов или молекул. Именно такого понимания теплоты придерживается современная физика.

Теплопередача – это процесс переноса теплоты внутри тела или от одного тела к другому, обусловленный разностью температур. Интенсивность переноса теплоты зависит от свойств вещества, разности температур и подчиняется экспериментально установленным законам природы.

Чтобы создавать эффективно работающие системы нагрева или охлаждения, разнообразные двигатели, энергоустановки, системы теплоизоляции, нужно знать принципы теплопередачи. В одних случаях теплообмен нежелателен (теплоизоляция плавильных печей, космических кораблей и т.п.

), а в других он должен быть как можно больше (паровые котлы, теплообменники, кухонная посуда).

Теплопередача – это теплообмен между двумя теплоносителями через разделяющую их твёрдую стенку или через поверхность раздела между ними. Теплопередача включает в себя теплоотдачу от более горячей жидкости к стенке, теплопроводность в стенке, теплоотдачу от стенки к более холодной подвижной среде.

Интенсивность передачи теплоты при теплопередаче характеризуется коэффициентом теплопередачи k, численно равным количеству теплоты, которое передаётся через единицу поверхности стенки в единицу времени при разности температур между жидкостями в 1 К; размерность k — вт/(м2.К) [ккал/м2.°С)].

Величина R, обратная коэффициенту теплопередачи, называется полным термическим сопротивлением . Например, R однослойной стенки

Теплоизлучение и теплопроведение. Роль конвекции в теплообмене

где α1 и α2 — коэффициенты теплоотдачи от горячей жидкости к поверхности стенки и от поверхности стенки к холодной жидкости; δ — толщина стенки; λ— коэффициент теплопроводности.

Читайте также:  Лечение и профилактика хантавирусной инфекции. Лихорадка Ласса

Существуют три основных вида теплопередачи: теплопроводность, конвекция и лучистый теплообмен.

Теплопроводность. Если внутри тела имеется разность температур, то тепловая энергия переходит от более горячей его части к более холодной.

Такой вид теплопередачи, обусловленный тепловыми движениями и столкновениями молекул, называется теплопроводностью; при достаточно высоких температурах в твердых телах его можно наблюдать визуально.

Так, при нагревании стального стержня с одного конца в пламени газовой горелки тепловая энергия передается по стержню, и на некоторое расстояние от нагреваемого конца распространяется свечение (с удалением от места нагрева все менее интенсивное). Интенсивность теплопередачи за счет теплопроводности зависит от градиента температуры, т.е.

отношения DТ/Dx разности температур на концах стержня к расстоянию между ними. Она зависит также от площади поперечного сечения стержня (в м2) и коэффициента теплопроводности материала [в соответствующих единицах Вт/(мDК)]. Соотношение между этими величинами было выведено французским математиком Ж.Фурье и имеет следующий вид:

Теплоизлучение и теплопроведение. Роль конвекции в теплообмене Теплоизлучение и теплопроведение. Роль конвекции в теплообмене

где q – тепловой поток, k – коэффициент теплопроводности, а A – площадь поперечного сечения. Это соотношение называется законом теплопроводности Фурье; знак «минус» в нем указывает на то, что теплотапередается в направлении, обратном градиенту температуры.

Из закона Фурье следует, что тепловой поток можно понизить, уменьшив одну извеличин – коэффициент теплопроводности, площадь или градиент температуры.

Дляздания в зимних условиях последние величины практически постоянны, а поэтомудля поддержания в помещении нужной температуры остается уменьшатьтеплопроводность стен, т.е. улучшать их теплоизоляцию.

Теплопроводность металлов обусловлена колебаниями кристаллической решетки и движением большого числа свободных электронов (называемых иногда электронным газом).

Движение электронов ответственно и за электропроводность металлов, а потому неудивительно, что хорошие проводники тепла (например, серебро или медь) являются также хорошими проводниками электричества. Тепловое и электрическое сопротивление многих веществ резко уменьшается при понижении температуры ниже температуры жидкого гелия (1,8 K).

Это явление, называемое сверхпроводимостью, используется для повышения эффективности работы многих устройств – от приборов микроэлектроники до линий электропередачи и больших электромагнитов.

Конвекция. Как мы уже говорили, при подводе тепла к жидкости или газу увеличивается интенсивность движения молекул, а вследствие этого повышается давление.

Если жидкость или газ не ограничены в объеме, то они расширяются; локальная плотность жидкости (газа) становится меньше, и благодаря выталкивающим (архимедовым) силам нагретая часть среды движется вверх (именно поэтому теплый воздух в комнате поднимается от батарей к потолку).

Данное явление называется конвекцией. Чтобы не расходовать тепло отопительной системы впустую, нужно пользоваться современными обогревателями, обеспечивающими принудительную циркуляцию воздуха.

Конвективный тепловой поток от нагревателя к нагреваемой среде зависит от начальной скорости движения молекул, плотности, вязкости, теплопроводности и теплоемкости и среды; очень важны также размер и форма нагревателя. Соотношение между соответствующими величинами подчиняется закону Ньютона

q = hA (TW — T¥),

где q – тепловой поток (измеряемый в ваттах), A – площадь поверхности источника тепла (в м2), TW и T¥ – температуры источника и его окружения (в кельвинах). Коэффициент конвективного теплопереноса h зависит от свойств среды, начальной скорости ее молекул, а также от формы источника тепла, и измеряется в единицах Вт/(м2хК).

Величина h неодинакова для случаев, когда воздух вокруг нагревателя неподвижен (свободная конвекция) и когда тот же нагреватель находится в воздушном потоке (вынужденная конвекция). В простых случаях течения жидкости по трубе или обтекания плоской поверхности коэффициент h можно рассчитать теоретически.

Однако найти аналитическое решение задачи о конвекции для турбулентного течения среды пока не удается. Турбулентность – это сложное движение жидкости (газа), хаотичное в масштабах, существенно превышающих молекулярные. Если нагретое (или, наоборот, холодное) тело поместить в неподвижную среду или в поток, то вокруг него образуются конвективные токи и пограничный слой.

Температура, давление и скорость движения молекул в этом слое играют важную роль при определении коэффициента конвективного теплопереноса. Конвекцию необходимо учитывать при проектировании теплообменников, систем кондиционирования воздуха, высокоскоростных летательных аппаратов и многих других устройств.

Во всех подобных системах одновременно с конвекцией имеет место теплопроводность, причем как между твердыми телами, так и в окружающей их среде. При повышенных температурах существенную роль может играть и лучистый теплообмен.

Лучистый теплообмен. Третий вид теплопередачи – лучистый теплообмен – отличается от теплопроводности и конвекции тем, что теплота в этом случае может передаваться через вакуум. Сходство же его с другими способами передачи тепла в том, что он тоже обусловлен разностью температур.

Тепловое излучение – это один из видов электромагнитного излучения. Другие его виды – радиоволновое, ультрафиолетовое и гамма-излучения – возникают в отсутствие разности температур.

Тепловое излучение может сопровождаться испусканием видимого света, но его энергия мала по сравнению с энергией излучения невидимой части спектра.

Интенсивность теплопередачи путем теплопроводности и конвекции пропорциональна температуре, а лучистый тепловой поток пропорционален четвертой степени температуры и подчиняется закону Стефана – Больцмана

Теплоизлучение и теплопроведение. Роль конвекции в теплообмене

где, как и ранее, q – тепловой поток (в джоулях в секунду, т.е. в Вт), A – площадь поверхности излучающего тела (в м2), а T1 и T2 – температуры (в кельвинах) излучающего тела иокружения, поглощающего это излучение. Коэффициент s называетсяпостоянной Стефана – Больцмана и равен (5,66961 х 0,00096)х10–8 Вт/(м2 DК4).

Представленный закон теплового излучения справедлив лишь для идеального излучателя – так называемого абсолютно черного тела. Ни одно реальное тело таковым не является, хотя плоская черная поверхность по своим свойствам приближается к абсолютно черному телу. Светлые же поверхности излучают сравнительно слабо.

Чтобы учесть отклонение от идеальности многочисленных «серых» тел, в правую часть выражения, описывающего закон Стефана – Больцмана, вводят коэффициент, меньший единицы, называемый излучательной способностью. Для плоской черной поверхности этот коэффициент может достигать 0,98, а для полированного металлического зеркала не превышает 0,05.

Соответственно лучепоглощательная способность высока для черного тела и низка для зеркального.

Жилые и офисные помещения часто обогревают небольшими электрическими теплоизлучателями; красноватое свечение их спиралей – это видимое тепловое излучение, близкое к границе инфракрасной части спектра.

Помещение же обогревается теплотой, которую несет в основном невидимая, инфракрасная часть излучения.

В приборах ночного видения применяются источник теплового излучения и приемник, чувствительный к ИК-излучению, позволяющий видеть в темноте.

Мощным излучателем тепловой энергии является Солнце; оно нагревает Землю даже на расстоянии 150 млн. км.

Интенсивность солнечного излучения, регистрируемая год за годом станциями, расположенными во многих точках земного шара, составляет примерно 1,37 Вт/м2. Солнечная энергия – источник жизни на Земле.

Ведутся поиски способов наиболее эффективного ее использования. Созданы солнечные батареи, позволяющие обогревать дома и получать электроэнергию для бытовых нужд.

Теплообмен

Второе начало термодинамики гласит, что теплота всегда передается от более горячего тела более холодному, однако о механизме теплопередачи там не говорится ни слова.

Однако характер переноса теплоты крайне важен с инженерно-физической точки зрения, и не удивительно, что механизмы теплообмена стали важным предметом исследований в первой половине девятнадцатого столетия.

Как уже упомянуто в аннотации, было открыто три способа теплообмена, и за каждым из них стоит уникальный физический процесс.

Теплопроводность

Положите загнутой конец железной кочерги в горящий камин — и уже через пару минут вы не сможете притронуться к ее свободному концу, хотя он находится на значительном удалении от пламени. А происходит это в результате того, что любой металл обладает высокой теплопроводностью, и жар огня от разогретого конца кочерги очень быстро распространяется по всей ее длине.

А обусловлена высокая теплопроводность металла следующим: атомы металла организованы в трехмерную кристаллическую решетку и постоянно вибрируют около своего среднестатистического положения.

Атомы погруженного в огонь конца кочерги под воздействием соударения с быстро движущимися молекулами углей и раскаленного газового пламени быстро разогреваются и начинают вибрировать значительно интенсивнее.

Очень скоро температура прогреваемого конца кочерги практически сравнивается с температурой пламени, о чем можно судить по тому, что металл разогревается докрасна.

Одновременно сами термически возбужденные атомы, соударяясь с соседними атомами, передают последним энергию теплового движения, и те, в свою очередь, также очень быстро разогреваются до температуры, близкой к температуре горения. При этом, отдав свою тепловую энергию соседям, атомы погруженного в пламя конца кочерги практически тут же компенсируют ее за счет непрерывного поступления тепловой энергии, выделяющейся при горении.

Читайте также:  Рак эндокринных клеток поджелудочной железы. Общие признаки эндокринных опухолей панкреас.

Таким образом, посредством цепочки межатомных взаимодействий теплота быстро распространяется вверх по ручке кочерги, постоянно пополняясь за счет энергии сгорания дров, пока не достигнет рукояти, которую вы держите в ладони, и тогда вы, почувствовав, как она нагрелась, вынуждены будете выпустить кочергу во избежание ожога.

Таким образом, теплопроводность представляет собой механизм теплового обмена посредством соударения между отдельными атомами или молекулами теплопроводящего вещества. То есть, тепловое движение распространяется по веществу, однако сами атомы или молекулы остаются жестко закрепленными внутри его структуры, и переноса вещества, как такового, мы не наблюдаем.

Уравнение, описывающее механизм теплопроводности, выглядит следующим образом:

    Q = A × ΔT/R

где Q — количество передаваемой тепловой энергии, А — площадь сечения теплопроводящего тела, ΔT — разность температур между двумя точками, а R — тепловое сопротивление материала, характеризующее, насколько он тормозит теплопередачу.

В вышеприведенном примере с кочергой, одним концом опущенной в камин, ΔT равняется разнице между температурой пламени на одном конце и комнатной температурой воздуха на другом, А — площади сечения железного прута, из которого сделана кочерга, а R определяется свойствами металла.

В целом же, приведенная формула подсказывает, что чем больше разность температур и чем больше площадь поперечного сечения, тем большее количество теплоты будет передаваться.

В то же время, при фиксированных значениях разности температур и площади поперечного сечения количество передаваемой теплоты будет обратно пропорционально тепловому сопротивлению, то есть, чем оно выше, тем медленнее будет нагреваться рукоять. Поэтому материалы с высокими значениями R (например, асбест, стекловолокно или пух) являются хорошими теплоизоляторами.

Конвекция

Теперь представьте себе кастрюлю с водой на плите. Сначала вода ведет себя неподвижно, и теплота от нижних слоев к верхним передается посредством теплопроводности. По мере нагревания, однако, характер теплопередачи меняется, поскольку запускается процесс, который принято называть конвекцией.

Нагреваясь вблизи дна, вода расширяется. Соответственно, удельный вес придонной разогретой воды оказывается легче, чем вес равного объема воды в поверхностных слоях. Это приводит всю водную систему внутри кастрюли в нестабильное состояние, которое компенсируется за счет того, что горячая вода начинает всплывать к поверхности, а на ее место опускается более прохладная вода.

Однако процесс этот одним актом не ограничивается, поскольку, обменявшись местами, горячая и прохладная вода очень скоро обмениваются и ролями, в силу того, что опустившая ко дну вода быстро разогревается и расширяется, а всплывшая горячая — быстро остывает и уплотняется за счет излучения (см. ниже). В результате ситуация нестабильности повторяется и слои воды снова меняются местами.

Нетрудно увидеть, что такая ситуация, по сути, приводит к постоянной нестабильности воды в кастрюле, и начинается непрерывная циркуляция водной массы: разогретая вода со дна всплывает, вытесняя ко дну остывающую воду с поверхности.

В результате мы наблюдаем циркулярные потоки, которые принято называть конвекционными токами (см. рисунок).

Присмотритесь внимательно к поверхности воды в кастрюле при ее закипании — и вы увидите конвекцию в действии: прозрачные области — это вода, поднимающаяся со дна, а пузыристые — это места, откуда вода только что пошла ко дну, оставив на поверхности накипь.

Конвекционные токи — весьма распространенный в природе способ теплообмена. Конвекция происходит в недрах Солнца, в слое между ядром и короной, именно она доставляет к поверхности светила тепловую энергию, вырабатываемую в ходе реакции термоядерного синтеза (см. Эволюция звезд).

Непрерывная конвекция происходит в земной мантии, в результате чего мы наблюдаем движение тектонических плит. Конвекционные атмосферные потоки определяющим образом сказываются на климате нашей планеты, перенося тепло из экваториальных широт в приполярные вместе с воздушными и океаническими массами.

Даже на уровне отдельно взятого крупного города конвекция приводит к значительным перемещениям атмосферных слоев: перегретый асфальт в центре города в этом случае играет роль конфорки под днищем кастрюли, если вернуться к исходному примеру.

Фактически, благодаря конвекции в городах устанавливается особый микроклимат.

Обобщая, подчеркнем, что конвекция, по сути, представляет собой теплообмен посредством переноса вещества. Накопив теплоту в одном месте, вещество-носитель переносит его в более холодное и там отдает окружающей среде. В этом коренное отличие конвекции от теплопроводности, когда вещество-проводник тепла само остается на месте.

Излучение

В отличие от двух предыдущих видов теплообмена при лучевом переносе тепла вещество — будь оно в твердом, жидком или газообразном состоянии — не задействовано вовсе.

В этом случае теплообмен осуществляется в силу того, что любая материя, имеющая температуру выше абсолютного нуля, излучает энергию в окружающую среду (см. Закон Стефана—Больцмана). Тип излучения зависит от температуры тела.

Это нетрудно понять на повседневном опыте: металл в кузнице сначала раскаляется докрасна, потом до желто-оранжевого цвета и, наконец, практически добела. Это свидетельствует о повышении температуры вещества, потому что, чем выше температура, тем короче длина излучаемых волн.

Относительно холодные тела излучают в инфракрасном диапазоне волн, и мы их излучения не видим, а только осязаем, как тепловое. Самые горячие тела испускают также невидимое излучение в микроволновом диапазоне.

Возможно, самым знаменитым примером открытия невидимого излучения стало открытие реликтового микроволнового фона космического излучения, ставшее одним из основных подтверждений правильности гипотезы Большого взрыва. По сути, этот фон излучается всей Вселенной в ее совокупности, поскольку она расширяется и постепенно остывает, теряя свою изначально колоссальную среднюю температуру.

См. также:

Виды теплообмена

Определение 1

Теплообменом называют процесс теплопереноса, который протекает самопроизвольно, причиной его является неоднородное температурное поле в пространстве.

Определение 2

Температурным полем называют систему значений температуры в рассматриваемый момент времени для всех точек пространства.

  • Уравнение поля температур в общем виде записывают как:
  • $T=F(x,y,z, au),$
  • где $T$ — температура; $x,y,z$ — координаты; $ au$ — время.
  • Если поле температур не изменяется с течением времени, то оно считается стационарным.
  • Выделяют три вида теплообмена:
  1. теплопроводность;
  2. конвекция (конвективный обмен теплом);
  3. излучение (теплообмен при излучении).

Теплопроводность

Определение 3

Теплопроводностью называют теплоперенос, который осуществляют молекулы и атомы вещества при хаотическом (тепловом) их движении.

Допустим, что вдоль оси Z в веществе имеется градиент температуры. Тогда в этой среде появляется поток тепла, который удовлетворяет уравнению:

$ q=-kappa frac{dT}{dz}S (1)$, где:

  • $q$ — поток тепла сквозь поверхность $S$, которая перпендикулярна оси $Z$;
  • $frac{dT}{dz}$ — проекция температурного градиента на ось $Z$;
  • $kappa$ — теплопроводность (коэффициент, зависящий от свойств вещества).

Знак минус в уравнении (1) обозначает то, что поток тепла происходит в направлении уменьшения температуры, то есть получается, сто знаки потока тепла и градиента температуры противоположные.

Замечание 1

Выражение (1) называют уравнением Фурье.

Поток тепла направлен нормально к изотермической поверхности. Его положительное направление аналогично направлению наибольшего убывания температуры.

  1. Теплопроводность $kappa$ численно равна количеству теплоты, проходящей за единичное время сквозь единицу изотермической поверхности, если градиент температуры равен одному кельвину на метр.
  2. Чем больше $kappa$, тем больше возможность среды к проведению тепла.
  3. Теплопроводность зависит от:
  • температуры у твердых тел;
  • температуры, давления у жидкостей и газов.

У металлов теплопроводность уменьшается при увеличении температуры (исключение составляет алюминий).

Теплопроводность металлов изменяется от 2,3 до 420 Вт/(мК).

  1. У диэлектриков $kappa$ с ростом температуры увеличивается. Это связано со структурой вещества, которое не является монолитом. На теплопроводность пористых материалов оказывает влияние влажность. При увеличении влажности растет теплопроводность.
  2. Для газов при увеличении температуры теплопроводность увеличивается, при этом у данных веществ теплопроводность почти не зависит от давления.
  3. У жидкостей при увеличении температуры $kappa$ уменьшается (исключение — вода). Для воды при увеличении температуры от 0 до $150^0C$ $kappa$ растет, при дальнейшем увеличении температуры $kappa$ уменьшается.

Конвекция

Определение 4

Читайте также:  Склонность к брадикардии сердца у ребенка: симптомы и лечение

Конвективным теплообменом (конвекцией) называют перенос тепла, при относительном перемещении макроскопических частей жидкостей или жидкостей по отношению к твердым телам.

На практике конвекция сопровождается переносом тепла молекулами, а иногда и лучистым теплообменом.

Практически значимой является конвекция:

  • жидкости и поверхности твердого тела;
  • газа и поверхности жидкости.

Выделяют два вида конвекции:

  • свободную (естественную);
  • вынужденную.

При свободной конвекции сила движения вызвана градиентом плотности жидкости в том месте, где она контактирует с поверхностью тела, обладающего температурой отличной от температуры вдали от него.

Свободная конвекция вызывается действием неоднородного поля внешних массовых сил (поля гравитации, инерции, электромагнитного поля). В связи с разными плотностями возникают архимедовы силы. Подобная конвекция идет в сосуде с жидкостью, которую нагревают при помощи спирали находящейся в ней.

Вынужденная конвенция идет при воздействии внешней поверхностной движущей силы, приложенной на границе системы, или однородного поля массовых сил, приложенных внутри жидкости.

В этом случае происходит процесс обтекания жидкостью поверхности с более высокой (низкой) температурой, чем температура самой жидкости.

Поскольку при вынужденной конвекции скорость перемещения жидкости выше, чем при свободной конвекции, следовательно, при том же изменении температур, предается большее количество теплоты. Увеличение потока тепла связывают с необходимостью расходования энергии, затрачиваемой на перемещение жидкости.

Конвективный перенос тепла имеется везде:

  • в атмосфере Земли;
  • в водах морей и океанов;
  • в процессе обмена теплом с окружающей средой человека и животного;
  • в технике в тепловых двигателях, котлах, печах, холодильниках и т.д.
  • Плотность потока тепла в процессе передачи тепла пропорциональна изменению температуры между жидкостью и поверхностью тела:
  • $q=alpha|T_1-T_2 |(2),$
  • где $alpha$ — коэффициент теплообмена.
  • Коэффициент теплообмена зависит от:
  • поля действующих сил (типа конвекции);
  • режима течения жидкости (ламинарное течение или турбулентное);
  • скорости перемещения жидкости;
  • геометрии твердого тела;
  • физических параметров жидкости, например, теплопроводности, теплоемкости, плотности, вязкости.

Теплообмен излучением

Определение 5

Перенос теплоты при помощи электромагнитного поля называют теплообменом излучением.

Тепловое излучение (лучистый теплообмен) является сложным процессом, в котором преобразование энергии происходит два раза:

  • тепловая энергия переходит в энергию электромагнитных волн;
  • движение волн;
  • поглощение электромагнитных волн веществом или телом.

Процесс излучения происходит в виде испускания (поглощения) фотонов.

При излучении электромагнитное поле уносит от источника излучения энергию. Плотность потока энергии данного поля характеризуют при помощи вектора Пойнтинга.

Излучение связано с температурой. При увеличении температуры растет внутренняя энергия тела, следовательно, увеличивается интенсивность излучения.

Кроме этого излучение зависит от вещества, состояния поверхности тела. Для газов излучение связано с толщиной излучающего слоя и давления.

Многие твердые тела излучают все длины волн. Чистые металлы и газы способны излучать энергию определенных интервалов длин волн (селективное излучение).

2. Конвективный теплообмен

2.1. Основные понятия и определения

Под конвекцией
понимают распространение теплоты в
среде с неоднородным распределением
температуры, осуществляемое
макроскопическими частицами жидкости
при ее перемещении.

Как мы уже с вами
отмечаем, в чистом виде конвекция в
природе не встречается, а всегда
сопровождается теплопроводностью.
Поэтому можно дать следующее определение
конвективному теплообмену.

Конвективный
теплообмен
это совместный процесс
переноса теплоты теплопроводностью и
конвекцией в движущейся жидкости или
газе.

Для практики
наибольший интерес представляет случай
конветивного теплообмена между твердым
телом и соприкасающейся с ним жидкостью
или газом. (Например радиатор автомобиля,
батарея отопления дома, холодильник,
отопление кабины и т. д.) Этот процесс
называется конвективной теплоотдачейилипросто теплоотдачей.

  • Процесс конвективной
    теплоотдачи имеет наиболее широкое в
    тепловых машинах и аппаратах и является
    весьма сложным. Он зависит от многих
    факторов, основными из которых являются
  • 1.Теплоотдача
    зависит от физических свойств температуры
    теплоносителя (жидкости) “
    tж
    и стенки “
    tст
  • Непосредственно
    на теплоотдачу имеют влияние следующие
    физические свойства жидкости
    (теплоносителя):

Cp,

теплоемкость;

– , —
коэффициент температуропроводности,
он характеризует темп изменения
в различных точках жидкости по времени
при нестационарных процессах;

вязкость
жидкости
– которая характеризует
силы внутреннего трения между слоями
жидкости. Различают динамический и
кинематический коэффициенты вязкости.

коэффициент
объемного расширения

png» width=»87″>– он характеризует относительное
изменение объема при нагревании жидкости
на 1 К приp=constДля идеальных газов

png» width=»160″>,.

Перечисленные
физические свойства для различных
теплоносителей различны. Их значение
приводятся в справочниках. При выборе
их необходимо учитывать, что все они
зависят от Т, а некоторые от давленияp.Так например µдля капельных жидкостей с повышением
температуры уменьшается, а для газов
увеличивается.

2. Теплоотдача
зависит от природы возникновения и
режима движения жидкости.
Это связано
с тем, что конвективный теплообмен
зависит от распределения температур в
потоке. В свою очередь характер
температурного поля определяется
распределением скоростей в потоке, т.е.
скоростным полем, зависящем от режима
течения.

По природе
возникновения различают вынужденное
и свободное движение жидкости.

Свободное движениевозникает за счет разности плотностей
холодных и нагретых частей жидкости
под действием гравитационных сил.
(например вокруг нагретой трубы или над
плитой наблюдается свободное движение
воздуха вверх)

Вынужденное
движение
вызывается вентиляторами,
насосами и другими возбудителями
движения. Вынужденное движение всегда
сопровождается свободным, однако при
больших скоростях последним можно
пренебречь.

При перемещении
жидкости возможны 2 основных режима
течения: ламинарный и турбулентный.

При ламинарном
движении
отдельные струйки жидкости,
перемещаясь в одном и том же направлении
не перемешиваются (все частицы движутся
параллельно стенкам канала в одном
направлении).

При турбулентном
режиме
течения каждая частица потока,
участвующая в общем поступательном
движении, кроме того совершает и различные
поперечные движения (происходит
постоянные пульсации значения

png» width=»21″>и изменения их мгновенных направлений).
При пульсации скорости и перемещения
вихрей из одной области течения в другую
происходит перенос механической энергии.

Если в движущемся потоке наблюдается
неоднородностьtполя,
то упомянутые явления приводят к
переносу теплоты в следствии чего
наблюдаются и температурные пульсации.

Однако при
турбулентном режиме не вся масса жидкости
движется завихренно. Около стенки из –
за вязкого трения жидкости возникает
ламинарный пограничный слой.

  1. Этот пограничный
    слой, в котором скорость потока меняется
    от на стенке до скорости
    основного потока называетсягидродинамическим пограничным слоем.
  2. Для него характерны
    малая толщина и большие поперечные
    градиенты скорости.
  3. Режим движения
    жидкости и толщина пограничного слоя
    зависят от скорости потока (Re104
    — турбулентный); диаметра (размеров)
    канала, плотностиρи
    вязкости µ жидкости.

Режим движения
жидкости определяет механизм переноса
теплоты. При ламинарномдвижении
теплота от потока жидкости к стенке
переносится только теплопроводностью,
т.к. частицы жидкости движутсяпараллельно
стенкам
. Учитывая малые значения
коэффициента теплопроводностиλдля жидкостей и газов можно сделать
вывод, что при ламинарном режиме
теплоотдача будет слабой.

При турбулентномрежиме течения, благодаря перемешиванию
жидкости теплота переносится конвекцией
и теплопроводностью. Теплоотдача в этом
случае будет более интенсивной.

Однако
огромное влияние на нее будет оказывать
ламинарный пограничный подслой. Он
будет составлять основное термическое
сопротивление и задерживать теплоотдачу.

Чем меньше δr
— тем интенсивнее теплоотдача.

Наряду с
гидродинамическим пограничным слоем
в потоке может образовываться и тепловой
пограничный слой.

Это слой жидкости
или газа непосредственно участвующий в теплоотдаче, благодаря чему температура
в этом слое меняется отtcтдоtж.

Тепловой
пограничный слой характеризуется
большим поперечным градиентом температуры,
под действием которого и осуществляется
перенос теплоты.

Тепловой
пограничный слой может не совпадать по
толщине с гидродинамическим
. Например
у вязких жидкостей толщина теплового
пограничного слоя значительно меньше
чем гидродинамического. У газов они
практически совпадают.

3. Теплоотдача
зависит от
tcт
— температуры твердой стенки, её размеров
(площади поверхностей) и расположения
её по отношению к потоку жидкости.

т.е. форма и
расположение поверхности по отношению
к потоку жидкости могут быть разными.
В каждом конкретном случае возникают
разные режимы течения и режимы теплоотдачи
будут разными.

Таким образом мы
можем сделать вывод, что тепловой поток
при конвективной теплоотдаче является
сложной функцией многих переменных.

Q=f(ω;tc;tж;λ;ρ;Cp;α;β;µ;l­1;l2;…;F­)

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector