Теплопередача способы повышения и понижения теплопередачи. Способы теплопередачи

Это учение о процессах распространения теплоты. Теплота распространяется тремя принципиально различными способами: теплопроводностью, конвекцией и тепловым излучением.

Теплопроводность представляет собой процесс распространения тепловой энергии при непосредственном соприкосновении отдельных тел или частиц одного тела, имеющих различные температуры и обусловлена движением микрочастиц тела

Конвекция возможна только в текучей среде–жидкой или газообразной. Под конвекцией теплоты понимают процесс переноса тепловой энергии при перемещении объемов жидкости или газа в пространстве из области с более высокой температурой в область с пониженным ее значением. Перенос теплоты неразрывно связан с переносом самой среды.

Тепловое излучение – это процесс распространения тепловой энергии с помощью электромагнитных волн. Сопровождается двойным превращением энергии: тепловая энергия излучающего тела переходит в лучистую и обратно – лучистая энергия, поглощаясь телом, переходит в тепловую.

Условия и закономерности протекания элементарных явлений различны. В большинстве случаев один вид теплообмена сопровождается другим. Теплопроводность в чистом виде большей частью имеет место лишь в твердых однородных телах. Конвекция теплоты всегда сопровождается теплопроводностью, так как при движении жидкости или газа неизбежно соприкосновение отдельных частиц, имеющих различную температуру. Совместный процесс конвекции и теплопроводности называют конвективным теплообменом .

При инженерных расчетах определяют конвективный теплообмен между потоком жидкости или газа и поверхностью твердого тела. Этот процесс конвективного теплообмена называют конвективной теплоотдачей. Конвективная теплоотдача часто сопровождается теплоотдачей излучением.

В целом перенос теплоты от горячих газов к холодному воздуху через разделяющую их стенку представляет собой сложный процесс, который называют теплообменом или теплопередачей . В рабочем пространстве нагревательного устройства передача теплоты от нагретых газов к внутренней поверхности стенки будет происходить в основном путем излучения и конвекции, через саму стенку – путем теплопроводности и от наружной поверхности стенки в окружающее пространство – путем конвекции и излучения.

Следовательно, на отдельных этапах прохождения теплоты элементарные виды теплообмена могут находиться в самом различном сочетании.

Процессы теплообмена могут происходить в различных средах: в чистых веществах и разных смесях, при изменении и без изменения фазового состава. Часто процессы переноса тепловой энергии сопровождаются переносом вещества (процессы окисления, восстановления, разложения). При наличии массообмена процессы теплообмена значительно усложняются и будут описываться более сложными дифференциальными уравнениями.

1.1.Теплопроводность

Механизм теплообмена теплопроводностью обусловлен движением микрочастиц вещества. В газах перенос энергии осуществляется путем диффузии молекул и атомов, в жидкостях и твердых телах (диалектриках) – за счет упругих волн, в металлах – путем диффузии свободных электронов и упругих колебаний кристаллической решетки.

Процесс теплопроводности неразрывно связан с распределением температуры внутри тела. Поэтому при изучении процесса прежде всего необходимо установить понятия температурного поля и градиента температуры.

1.1.1.Температурное поле

Температура характеризует тепловое состояние тела и определяет степень его нагретости. Теплопроводность может иметь место только при условии, что в различных точках тела (или системы тел) температура неодинакова. В общем случае процесс передачи теплоты теплопроводностью в твердом теле сопровождается изменением температуры как в пространстве, так и во времени. Основной задачей теории теплопроводности и является изучение пространственно – временного изменения температуры, т.е. нахождение зависимости

где –координаты точек тела; – временная координата.

Уравнение (1.1) представляет собой математическое выражение температурного поля. Таким образом, температурным полем называется совокупность значений температуры во всех точках изучаемого пространства и для каждого момента времени.

Различают стационарное и нестационарное температурное поле. Уравнение (1.1) является записью наиболее общего вида температурного поля, когда температура изменяется с течением времени и от одной точки к другой. Такое поле отвечает неустановившемуся тепловому режиму теплопроводности и носит название нестационарного температурного поля.

Если тепловой режим является установившимся, то температура в каждой точке тела с течением времени остается неизменной, и такое температурное поле называют стационарным. В этом случае температура является функцией только координат

Температурное поле, соответствующее уравнениям (1.1) и (1.2) является пространственным, так как температура – это функция трех координат. Если температура есть функция двух координат, то поле называют двухмерным:

Если температура является функцией одной координаты, то поле называют однородным:

Наиболее простой вид имеет уравнение одномерного стационарного температурного поля:

Одномерной, например, является задача о переносе теплоты в стенке, у которой длину и ширину можно считать бесконечно большими по сравнению с толщиной.

1.1.2.Температурный градиент

При любом температурном поле в теле всегда имеются точки с одинаковой температурой. Если эти точки мысленно соединить, то можно получить изотермические поверхности, которые либо оканчиваются на поверхности тела, либо целиком располагаются внутри самого тела. Следовательно, температура в теле изменяется в направлении, пересекающем изотермы. При этом наибольший перепад температуры на единицу длины происходит в направлении нормали к изотермической поверхности (рис.1.1).

Предел отношения изменения температуры между соседними изотермами к расстоянию между ними по нормали называется температурным градиентом и обозначается одним из следующих символов:

Это есть вектор, направленый по нормали к изотермической поверхности.

Положительным направлением температурного градиента считается направление в сторону возрастания температуры. Его значение, взятое с обратным знаком, называется падением температуры.

1.1.3.Тепловой поток. Закон Фурье

Теплота самопроизвольно переносится только в сторону убывания температуры. Количество теплоты, переносимой через какую–либо поверхность в единицу времени, называется тепловым потоком . Тепловой поток, отнесенный к единице поверхности, называется плотностью теплового потока, или же удельным тепловым потоком, или же тепловой нагрузкой поверхности нагрева, т.е.

(1.7)

Если тепловой поток отнесен к единице изотермической поверхности, то величина является вектором, направление которого совпадает с направлением распространения теплоты в данной точке и противоположно направлению вектора температурного градиента (рис. 1.2).

Изучая процесс теплопроводности в твердых телах, Фурье экспериментально установил, что количество переданной теплоты пропорционально температурному градиенту и площади сечения, перпендикулярного направлению распространения теплоты.

. (1.8)

Если количество переданной теплоты отнести к единице сечения и единице времени, то установленную зависимость можно записать в виде

Уравнение (1.9) является математическим выражением основного закона теплопроводности – закона Фурье, который лежит в основе всех теоретических и экспериментальных исследований процессов теплопроводности.

1.1.4.Коэффициент теплопроводности

Коэффициент пропорциональности в уравнениях (1.8) и (1.9) является физическим параметром вещества, характеризующим способность тел проводить теплоту и называемым коэффициентом теплопроводности. Размерность – Вт/(м о С).

Определяет собой количество теплоты, которое проходит в единицу времени через один квадратный метр изотермической поверхности при температурном градиенте равном единице.

На величину коэффициента влияет много факторов: температура, давление, структура, влажность, агрегатное состояние тела, механизм переноса теплоты и т.д.

Обычно определяют экспериментальным путем. Большинство методов основано на измерении теплового потока и градиента температур в заданном веществе.

Лучше определять из выражения:

где – коэффициент температуропроводности, м 2 /с; с – теплоемкость, Дж/ (кг о С); – плотность, кг/м 3 .

Так как температура в теле распределена неравномерно, то в первую очередь важно знать зависимость от температуры. Для большого числа материалов эта зависимость оказывается почти линейной, т.е.

,

где коэффициент теплопроводности при температуре , Вт/(м о С); – температура, о С; – температурный коэффициент, определяемый опытным путем.

Лучшими проводниками теплоты являются металлы, у которых изменяется от 3 до 458 Вт/(м о С). Самым теплопроводным металлом является чистое серебро (=458 Вт/(м о С)).

Коэффициенты теплопроводности теплоизоляционных и строительных материалов, имеющих пористую структуру, при повышении температуры возрастают по линейному закону и изменяются в пределах от 0,02 до 3,0 Вт/(м о С). Для газов изменяется в пределах от 0,006 до 0,6 Вт/(м о С).

Для капельных жидкостей изменяется в пределах от 0,07 до 0,7 Вт/(м о С).

1.1.5.Общее дифференциальное уравнение теплопроводности

Для определения количества переданной теплоты необходимо знать коэффициент и значение температурного градиента, а следовательно, и распределение температуру. Последнее относительно просто можно определить только для тел простой конфигурации – пластины, цилиндра, шара, куба и параллелепипеда. В общем же случае это распределение можно получить лишь в результате решения специального дифференциального уравнения теплопроводности.

Это уравнение выводится на основании закона сохранения энергии, сочетаемого с законом Фурье,

Согласно закону сохранения энергии количество теплоты , выделенное внутренними источниками, за вычетом количества теплоты , вытекшего сквозь поверхность наружу, идет на приращение внутренней энергии вещества в выделенном объеме:

Выделим в теле элементарный параллелепипед со сторонами (рис. 1.3)

Если объемную мощность тепловыделения, т.е. количество теплоты, выделяющейся в единице объема вещества за единицу времени обозначить через , Вт/м 3 , то за время получим:

Для вычисления рассмотрим направление, определяемое осью х.

В этом направлении через левую грань поступает внутрь выделенного объема количество теплоты

Через противоположную грань за тот же промежуток времени вытекает из объема количество теплоты

.

Результативное количество вытекающей теплоты

.

Полное количество вытекающей из параллелепипеда теплоты во всех трех направлениях составит

. (1.12)

Приращение внутренней энергии вычисляется через теплоемкость и изменение температуры:

Здесь с в Дж/(кг о С), а в кг/м 3 .

Подставив выражения (1.11), (1.12) и (1.13) в (1.10), получим

. (1.14)

Введем в рассмотрение новую физическую характеристику вещества – коэффициент температуропроводности а, м 2 /с, определяемый из выражения

Он существенен для нестационарных тепловых процессов и характеризует скорость изменения температуры и является мерой теплоинерционных свойств тела. Скорость изменения температуры в любой точке тела будет, тем больше, чем больше коэффициент температуропрводности. При прочих равных условиях выравнивание температур происходит быстрее в том теле, которое обладает большим коэффициентом температуропроводности.

Уравнению (1.14) можно придать вид

.

Физический смысл уравнения Фурье заключается в том, что им связывается пространственное распределение температуры с изменением ее во времени. Зная вблизи той или иной точки тела зависимость температуры от координат, можно предсказать, как быстро будет возрастать (или спадать) температура в этой точке при переходе к следующему моменту времени. Наиболее простое соотношение получается тогда, когда =0, т.е. когда внутреннее тепловыделение отсутствует. При этом, чем больше коэффициент а , тем пропорционально быстрее меняется во времени температура.

Применительно к пространственным задачам стационарной теплопроводности /=0 и при =0 уравнение Фурье приобретает вид

= 0; .

В цилиндрических координатах уравнение (1.15) записывается в виде:

, (1.16)

где – радиус вектор;– полярный угол, – аппликата.

1.1.6.Условия однозначности решения

Полученное дифференциальное уравнение Фурье описывает явление передачи теплоты теплопроводностью в самом общем виде. Для того, чтобы применить его к конкретному случаю, необходимо знать распределение температур в теле в начальный момент времени (начальные условия). Кроме того, должны быть известны геометрическая форма и размеры тела, физические параметры среды и тела, граничные условия, характеризующие распределение температуры на поверхности тела, или взаимодействие изучаемого тела с окружающей средой.

Все эти частные особенности совместно с дифференциальным уравнением дают полное математическое описание конкретного процесса теплопроводности и называются условиями однозначности или краевыми условиями,

Начальные условия необходимы при рассмотрении нестационарных процессов и состоят в задании закона распределения температуры внутри тела в начальный момент времени. В общем случае начальное условие аналитически может быть записано в виде

Граничные условия, характеризуют взаимодействие рассматриваемого тела с окружающей средой. Задаются несколькими способами.

Граничные условия первого рода. Задается распределение температуры на поверхности тела для каждого момента времени

C и окружающей средой

,

где n – нормаль к поверхности тела; с – индекс указывает на то, что температура и температурный градиент относятся к поверхности тела при n=0.

Окончательно граничные условия третьего рода можно записать в виде

Граничные условия четвертого рода. Их задание определяется условиями теплообмена системы тел или тела с окружающей средой по закону теплопроводности. Предполагается, что между телами осуществляется идеальный контакт и температуры соприкасающихся поверхностей одинаковы.

При этом имеет место равенство тепловых потоков, проходящих через поверхность соприкосновения, т.е.

. (1.19)

Теплопередача – это способ изменения внутренней энергии тела при передаче энергии от одной части тела к другой или от одного тела к другому без совершения работы. Существуют следующие виды теплопередачи : теплопроводность, конвекция и излучение.

Теплопроводность

Теплопроводность – это процесс передачи энергии от одного тел а к другому или от одной части тела к дpугой благодаря тепловому движению частиц. Важно, что при теплопроводности не происходит перемещения вещества, от одного тела к другом у или от одной части телa к другой передается энергия.

Разные вещества обладают разной теплопроводностью. Если на дно пробирки, наполненной водой, положить кусочек льда и верхний её конец поместить над пламенем спиртовки, то через некоторое время вода в верхней части пробирки закипит, а лёд при этом не растает. Следовательно, вода, так же как и все жидкости, обладает плохой теплопроводностью.

Ещё более плохой теплопроводность ю обладают газы. Возьмём пробирку, в которой нет ничего, кроме воздуха, и расположим её над пламенем спиртовки. Палец, помещённый в пробирку, не почувствует тепла. Следовательно, воздух и другие газы обладает плохой теплопроводностью.

Хорошими проводниками теплоты являются металлы, самыми плохими - сильно разреженные газы. Это объясняется особенностями их строения. Молекулы газов находятся друг от друга на расстояниях, больших, чем молекулы твёрдых тел, и значительно реже сталкиваются. Поэтому и передача энергии от одних молекул к другим в газах происходит не столь интенсивно, как в твёрдых телах. Теплопроводность жидкости занимает промежуточное положение между теплопроводностью газов и твёрдых тел.

Конвекция

Как известно, газы и жидкости плохо проводят теплоту. В то же время от батарей парового отопления нагревается воздух. Это происходит благодаря такому виду теплопроводности, как конвекция.

Если вертушку, сделанную из бумаги, поместить над источником тепла, то вертушка начнёт вращаться. Это происходит потому, что нагретые менее плотные слои воздуха под действием выталкивающей силы поднимаются вверх, а более холодные движутся вниз и занимают их место, что и приводит к вращению вертушки.

Конвекция - вид теплопередачи, при котором энергия передаётся слоями жидкости или газа. Конвекция связана с переносом вещества, поэтому она может осуществляться только в жидкостях и газах; в твёрдых телах конвекция не происходит.

Излучение

Третий вид теплопередачи - излучение . Если поднести руку к спирали электроплитки, включённой в сеть, к горящей электрической лампочке, к нагретому утюгу, к батарее отопления и т.п., то можно явно ощутить тепло.

Опыты также показывают, что чёрные тела хорошо поглощают и излучают энергию, а белые или блестящие плохо испускают и плохо поглощают её. Они хорошо энергию отражают. Поэтому понятно, почему летом носят светлую одежду, почему дома на юге предпочитают красить в белый цвет.

Путём излучения энергия передаётся от Солнца к Земле. Поскольку пространство между Солнцем и Землёй представляет собой вакуум (высота атмосферы Земли много меньше расстояния от неё до Солнца), то энергия не может передаваться ни путём конвекции, ни путём теплопроводности. Таким образом, для передачи энергии путём излучения не требуется наличия какой-либо среды, эта теплопередача может осуществляться и в вакууме.

Передача тепла может осуществляться тремя способами:

1) теплопроводностью;

2) конвекцией;

3) излучением.

Все эти способы теплопередачи обусловлены, разностью темпе; ратур; тепло всегда переходит от более нагретого тела к менее нагретому. Передача тепла путем теплопроводности происходит в одном и том же теле там, где в нем существует перепад темпе­ратур или где соприкасаются два различных тела"с различной температурой. Как известно, передача тепла обусловливается движением молекул и атомов тела; поэтому распространение теп­ла теплопроводностью необходимо представить себе как следст­вие того, что более нагретые и поэтому колеблющиеся быстрее молекулы отдают часть своей энергии колебания соседним мо,- лекулам, колеблющимся медленнее. Таким образом происходит распространение тепла путем теплопроводности. Кроме того, в переносе тепла участвуют Электроны. Передача тепла путем теп­лопроводности зависит от величины температурного перепада, геометрических размеров и физических свойств тела. Эта зависи­мость может быть записана в удобной математической форме. Говоря о теплопроводности, следует различать установившуюся (стационарную) и неустановившуюся (нестационарную) прово­димости тепла. Установившийся тепловой поток проходит через тело, температура которого в каждой точке не изменяется со вре: менем, т. е. через такое тело, температурное поле которого не зависит от времени. В этом случае через определенное сечение тела за один час проходит всегда неизменное -количество тепла. Если же у рассматриваемого тела температура изменяется повсе; местно или в отдельных его частях, то это вызывает соответству­ющее изменение теплового потока: он становится нестационар^- ным, т. е. зависимым от времени. При этом изменении темпера; тур изменяется и теплосодержание тела. Количество тепла, кото­рое соответствует этому изменению теплосодержания, соответст­вует и отклонению от равномерного теплового потока - Далее мы увидим, что это изменение теплосодержания тела со временем вследствие соответствующего изменения температурного поля с^ь щественно усложняет математическое описание теплопроводно - 2* сти. К счастью, изменяющееся во времени температурное поле на практике встречается лишь в регенераторах и во всех процессах нагревания. Для преобладающей же части технических процес­сов передачи тепла теплопроводностью характерны установивши­еся тепловые потоки, которые наблюдаются при достижении ста­ционарного состояния. В этом случае математическое описание явления очень просто. Часто неустановившийся тепловой поток можно определить приближенно, прибегая к раздельному расче­ту процесса аккумуляции и установившегося теплового потока.

Передача тепла конвекцией мокет происходить лишь в газах и жидкостях. Она осуществляется следующим образом: к по­верхности нагрева поступают все новые и новые частички газа или жидкости, которые отдают ей свое тепло. Следовательно, теп­ло к поверхности нагрева переносится механическим путем (кон­вейерное перемещение). Естественно, что теплопередача конвек­цией происходит тем интенсивнее, чем больше скорость движе­ния частичек жидкости или газа. Если это движение поддержи­вается искусственно, например мешалкой или путем создания перепада давления в трубопроводах, то это соответствует искус­ственной, или вынужденной, конвекции. Напротив, движение, обу­словленное исключительно внутренними причинами, т. е. глав­ным образом тепловым расширением и связанным с ним появ­лением подъемной силы, называют свободной конвекцией.

Передача тепла излучением происходит в том случае, когда две поверхности, характеризуемые различной температурой, рас­полагаются в пространстве одна против другой и между ними на­ходится прозрачная для излучения среда. Для лучистого потока прозрачными являются «пустое» пространство и сухой воздух. Непрозрачными являются большинство жидкостей и горючих га­зов, а также различные газы в некоторых интервалах длин волн, как напримёр, СОг и водяной пар. Излучение этих газов имеет огромное значение в технике. Оно будет рассмотрено более об­стоятельно в дальнейшем.

Коэффициент теплоотдачи относится к важнейшим понятиям в области теплопередачи. Он равен такому количеству тепла, ко­торое передается теплоносителем одному квадратному метру по­верхности за один час при разности температур в 1°. Размерность коэффициента теплоотдачи: ккал/м2*час° С. Количество тепла, переданное поверхности Р м2 за т часов при разности температур между поверхностью нагрева и теплоносителем (^1-^)°С,

<2 == а(/х - 12)Р т ккал. | 0)

Раньше считали, что коэффициент теплоотдачи, подобно коэф­фициенту теплопроводности, является чисто физическим свойст­

Вом тела и поэтому его называли «внешним коэффициентом теп­лопроводности». В настоящее время установлено, что коэффици­ент теплоотдачи зависит как от физических свойств (удельной теплоемкости, коэффициента теплопроводности, вязкости), так и от состояния потока теплоносителя. Таким образом, поскольку коэффициеит теплоотдачи зависит от состояния потока (вихре - образование, краевые влияния и т. д.), приходится считаться с фактом некоторой неустойчивости определяющих его условий. Вследствие этого, как будет показано ниже, для определения ко­эффициента теплоотдачи невозможно дать совершенно точных формул. Тем не менее благодаря сочетанию многочисленных ис­следований с теоретическими изысканиями (особенно с теорией подобия) эта область изучена настолько глубоко, что в определе­нии коэффициента теплоотдачи в общем случае достигнута до­статочная для практических целей точность, которая уступает лишь точности формул, применимых для частных случаев, играю­щих в технике наиболее важную роль (например, для одиночной трубы, насадки регенератора, газа, воды).

Теплопередачей или теорией теплообмена называют науку, изучающую законы переноса теплоты в твердых, жидких и газообразных телах.

Основы учения о теплоте были заложены русским ученым

М.В. Ломоносовым, в середине XVIII в. создавшим механическую теорию теплоты и основы закона сохранения и превращения материи и энергии. В дальнейшем развитии учения о теплоте разрабатывались его общие положения.

В настоящее время теплопередача вместе с технической термодинамикой составляет теоретические основы теплотехники.

3.2. Основные виды теплообмена

Различные тела могут обмениваться внутренней энергией в форме теплоты. Процесс теплообмена – это самопроизвольный процесс переноса (передачи) теплоты в пространстве при неоднородном распределении температур. Разность температур – это необходимое условие теплообмена, причем тепло распространяется от тел с большей температурой к телам с меньшей температурой. Перенос теплоты при наличии разности температур может быть осуществлен внутри твердого тела, в жидкой, газообразной среде, на границе твердого тела с окружающей его средой, в двух средах, разделенных перегородкой.

Исследования показывают, что теплообмен является сложным процессом. Однако ради простоты изучения различают три элементарных вида теплообмена: теплопроводность (кондукцию), конвекцию и тепловое излучение.

Теплопроводностью называется перенос теплоты внутри тела соприкасающимися, беспорядочно движущимися микрочастицами (атомами, молекулами, электронами). То есть частицы, соприкасаясь, разносят тепло. Можно наблюдать, как при нагревании металлического стержня с одного конца теплота постепенно распространяется по всему стержню. Объясняется это тем, что в нагреваемом конце стержня тепловое движение молекул, атомов и свободных электронов постепенно ускоряется, а это значит, что внутренняя кинетическая энергия их увеличивается. При соударениях часть их энергии передается дальше по стержню, что и приводит к распространению теплоты по всему стержню. В жидкостях (капельных и газообразных) процесс переноса теплоты теплопроводностью очень невелик.

Конвекция – перенос теплоты при перемещении объемов текущей среды (жидкости или газа) в пространстве из области с одной температурой в область с другой температурой. Различают свободную и вынужденную конвекции. При свободной конвекции перемещение жидкости происходит под действием разности плотностей отдельных частей жидкости при нагревании, например, перенос теплоты от наружной поверхности горячей батареи холодному воздуху в помещении. Если перемещение вызывается искусственно вентилятором, насосом, мешалкой и т.д., то такая конвекция называется вынужденной. При этом распространение теплоты, т.е. прогревание всей массы жидкости, происходит значительно быстрее, чем при свободной.

Тепловое излучение – процесс переноса теплоты в виде электромагнитных волн с двойным взаимным превращением – тепловой энергии в лучистую и обратно.

Для переноса теплоты теплопроводностью и конвекцией необходима материальная среда, для передачи теплоты излучением такая среда не нужна.

При теплообмене между двумя телами внутренняя энергия тела с более высокой температурой уменьшается, а тела с менее высокой температурой, на столько же увеличивается. Процесс теплообмена протекает тем интенсивнее, чем больше разность температур тел, обменивающихся энергией. При ее отсутствии процесс теплообмена прекращается и наступает тепловое равновесие.

Рассмотренные формы переноса теплоты во многих случаях осуществляются совместно двумя, а чаще – тремя способами. Например, обмен теплотой между твердой поверхностью и жидкостью (или газом) происходит путем теплопроводности и конвекции одновременно и называется конвективным теплообменом или теплоотдачей. В паровых котлах в процессе переноса теплоты от топочных газов к внешней поверхности кипятильных труб одновременно участвуют все три вида теплообмена – теплопроводность, конвекция и тепловое излучение. От внешней поверхности кипятильных труб к внутренней через слой сажи, металлическую стенку и слой накипи теплота переносится путем теплопроводности. Наконец, от внутренней поверхности труб к воде теплота переносится путем теплопроводности и конвекции. В практических расчетах такие сложные процессы иногда целесообразно рассматривать как одно целое. Так, например, передачу теплоты от горячей жидкости к холодной через разделяющую их стенку называют процессом теплопередачи.

Рассмотрим каждый из трех способов переноса теплоты (теплопроводность, конвекцию и тепловое излучение), а также и объединяющий их сложный процесс переноса теплоты.

Теплопроводность

Процесс теплопроводности неразрывно связан с распределением температуры внутри тела. Поэтому, при его изучении, прежде всего необходимо установить понятия температурного поля и градиентатемпературы.

Температура, как известно, характеризует тепловое состояние тела и определяет степень его нагретости. Совокупность значений температуры для всех точек пространства в данный момент времени называется температурным полем. Если температура меняется во времени, поле называется неустановившимся (нестационарным), а если не меняется – установившимся (стационарным).

При любом температурном поле в теле всегда имеются точки с одинаковой температурой. Геометрическое место таких точек образует изотермическую поверхность . Так как в одной и той же точке пространства одновременно не может быть двух различных температур, то изотермические поверхности друг с другом не пересекаются; все они или замыкаются на себе или кончаются на границах тела. Следовательно, изменение температуры в теле наблюдается лишь в направлениях, пересекающих изотермические поверхности (например, направление х, рис. 1)

Рис 1. К определению температурного градиента.

При этом более резкое изменение температуры получается в направлении нормали n к изотермической поверхности. Предел отношения изменения температуры к расстоянию между изотермами по нормали называется градиентом температур : = (1)

Температурный градиент является вектором, направленным по нормали к изотермической поверхности в сторону возрастания температуры. Температурный градиент показывает, насколько интенсивно (резко) меняется температура в толще тела и является важной величиной, определяющей многие физические явления (появление трещин в хрупком теле от неравномерного нагрева, термические деформации и т.д.)

Теплота самопроизвольно переносится только в сторону убывания температуры. Количество теплоты, переносимое через какую-либо изотермическую поверхность в единицу времени, называется тепловым потоком .

Тепловой поток, отнесенный к единице площади изотермической поверхности, называется плотностью теплового потока :

(2)

Величины Q и q являются векторами, направленными по нормали к изотермической поверхности, причем за положительное направление принимается направление в сторону уменьшения температуры. Векторы теплового потока и градиента температур противоположны.

Основной закон теплопроводности (закон Фурье) формулируется следующим образом: плотность теплового потока пропорциональна градиенту температуры: (3)

где коэффициент теплопроводности, характеризующий способность тел проводить теплоту и зависящий от химического состава и физического строения вещества, его температуры, влажности и пористости. Влага, заполняя поры тела, увеличивает теплопроводность, а пористость наоборот, уменьшает ее, так как чем пористее тело, тем больше в нем содержится воздуха, а теплопроводность воздуха, как и вообще всех газов, низкая (в 20 – 25 раз меньше теплопроводности воды).

Приближенные значения коэффициента теплопроводности для некоторых материалов приведены в приложении в табл. 1.

Теплообмен - это процесс изменения внутренней энергии без совершения работы над телом или самим телом.
Теплообмен всегда происходит в определенном направлении: от тел с более высокой температурой к телам с более низкой .
Когда температуры тел выравниваются, теплообмен прекращается.
Теплообмен может осуществляться тремя способами:

1. теплопроводностью
2. конвекцией
3. излучением

Теплопроводность

Теплопроводность - явление передачи внутренней энергии от одной части тела к другой или от одного тела к другому при их непосредственном контакте.
Наибольшей теплопроводностью обладают металлы - она у них в сотни раз больше, чем у воды. Исключением являются ртуть и свинец , но и здесь теплопроводность в десятки раз больше, чем у воды.
При опускании металлической спицы в стакан с горячей водой очень скоро конец спицы становился тоже горячим. Следовательно, внутренняя энергия, как и любой вид энергии, может быть передана от одних тел к другим. Внутренняя энергия может передаваться и от одной части тела к другой. Так, например, если один конец гвоздя нагреть в пламени, то другой его конец, находящийся в руке, постепенно нагреется и будет жечь руку.
Нагревание кастрюли на электрической плитке происходит через теплопроводность.
Изучим это явление, проделав ряд опытов с твердыми телами, жидкостью и газом.
Внесем в огонь конец деревянной палки. Он воспламенится. Другой конец палки, находящийся снаружи, будет холодным. Значит, дерево обладает плохой теплопроводностью .
Поднесем к пламени спиртовки конец тонкой стеклянной палочки. Через некоторое время он нагреется, другой же конец, останется холодным. Следовательно, и стекло имеет плохую теплопроводность .
Если же мы будем нагревать в пламени конец металлического стержня, то очень скоро весь стержень сильно нагреется. Удержать его в руках мы уже не сможем.
Значит, металлы хорошо проводят тепло, т. е. имеют большую теплопроводность. Наибольшей теплопроводностью обладают серебро и медь .
Теплопроводность у различных веществ различна.
Плохой теплопроводностью обладают шерсть, волосы, перья птиц, бумага, пробка и другие пористые тела. Это связано с тем, что между волокнами этих веществ содержится воздух. Самой низкой теплопроводностью обладает вакуум (освобожденное от воздуха пространство). Объясняется это тем, что теплопроводность - это перенос энергии от одной части тела к другой, который происходит при взаимодействии молекул или других частиц. В пространстве, где нет частиц, теплопроводность осуществляться не может.
Если возникает необходимость предохранить тело от охлаждения или нагревания, то применяют вещества с малой теплопроводностью. Так, для кастрюль, сковородок ручки из пластмассы. Дома строят из бревен или кирпича, обладающих плохой теплопроводностью, а значит, предохраняют от охлаждения.

Конвекция

Конвекция - это процесс теплопередачи, осуществляемый путем переноса энергии потоками жидкости или газа.
Пример явления конвекции : небольшая бумажная вертушка, поставленная над пламенем свечи или электрической лампочкой, под действием поднимающегося нагретого воздуха начинает вращаться. Это явление можно объяснить таким образом. Воздух, соприкасаясь с теплой лампой, нагревается, расширяется и становится менее плотным, чем окружающий его холодный воздух. Сила Архимеда, действующая на теплый воздух со стороны холодного снизу вверх, больше, чем сила тяжести, которая действует на теплый воздух. В результате нагретый воздух «всплывает», поднимается вверх, а его место занимает холодный воздух.
При конвекции энергия переносится самими струями газа или жидкости.
Различают два вида конвекции:

• естественная (или свободная)

Возникает в веществе самопроизвольно при его неравномерном нагревании. При такой конвекции нижние слои вещества нагреваются, становятся легче и всплывают, а верхние слои, наоборот, остывают, становятся тяжелее и опускаются вниз, после чего процесс повторяется.

• вынужденная

Наблюдается при перемешивании жидкости мешалкой, ложкой, насосом и т. д.
Для того, чтобы в жидкостях и газах происходила конвекция, необходимо их нагревать снизу.
Конвекция в твердых телах происходить не может.

Излучение

Излучение - электромагнитное излучение, испускаемое за счет внутренней энергии веществом, находящимся при определенной температуре.
Мощность теплового излучения объекта, удовлетворяющего критериям абсолютно черного тела, описывается законом Стефана - Больцмана.
Отношение излучательной и поглощательной способностей тел описывается законом излучения Кирхгофа.
Передача энергии излучением отличается от других видов теплопередачи: она может осуществляться в полном вакууме .
Излучают энергию все тела: и сильно нагретые, и слабо, например тело человека, печь, электрическая лампочка и др. Но чем выше температура тела, тем больше энергии передает оно путем излучения. При этом энергия частично поглощается этими телами, а частично отражается. При поглощении энергии тела нагреваются по-разному, в зависимости от состояния поверхности.
Тела с темной поверхностью лучше поглощают и излучают энергию, чем тела, имеющие светлую поверхность. В то же время тела с темной поверхностью охлаждаются быстрее путем излучения, чем тела со светлой поверхностью. Например, в светлом чайнике горячая вода дольше сохраняет высокую температуру, чем в темном.