Элементарные способы передачи теплоты.

Различают три элементарных способа передачи теплоты:

1. теплопроводность (кондукция);

2. конвекция;

3. тепловое излучение (радиационный теплообмен).

Теплопроводность (кондукция) - способ передачи теплоты за счет взаимодействия микрочастиц тела (атомов, молекул, ионов в электролитах и электронов в металлах) в переменном поле температур.

Теплопроводность имеет место в твердых, жидких и газообразных телах. В твердых телах теплопроводность является единственным способом передачи теплоты. В вакууме теплопроводность отсутствует.

Конвекция - способ передачи теплоты за счет перемещения макрообъемов среды из области с одной температурой в область с другой температурой. При этом текучая среда (флюид) с более высокой температурой перемещается в область более низких температур, а холодный флюид - в область с высокой температурой. В вакууме конвекция теплоты невозможна.

Тепловое излучение (радиационный теплообмен) - способ передачи теплоты за счет распространения электромагнитных волн в определенном диапазоне частот.

Замечания:- все тела выше 0 К обладают собственным тепловым излучением, то есть энергию излучают все тела;- для передачи теплоты излучением не требуется тело-посредник, т.е. лучистая энергия может передаваться и в вакууме.

Сложный теплообмен. Теплоотдача и теплопередача В природе и в технических устройствах, как правило, все три способа передачи теплоты происходят одновременно. Такой теплообмен называется сложным теплообменом.Например, конвекция теплоты всегда протекает совместно с теплопроводностью, так как макрообъемы текучей среды состоят из микрообъемов, и есть неравномерное по пространству температурное поле. Передача теплоты совместно теплопроводностью и конвекцией называется конвективным теплообменом.

Совместная передача теплоты излучением и теплопроводностью называется радиационно-кондуктивным теплообменом.

Совместная передача теплоты излучением и конвекцией называется радиационно-конвективным теплообменом.

В природе и технике наиболее часто встречаются следующие два варианта сложного теплообмена:

- теплоотдача - процесс теплообмена между непроницаемой твёрдой стенкой и окружающей текучей средой;

- теплопередача - передача теплоты от одной текучей среды к другой текучей среде через непроницаемую твёрдую стенку.

Процесс теплоотдачи может быть осуществлен сочетанием следующих элементарных процессов теплообмена:

- конвективная теплоотдача (конвекция + теплопроводность = конвективный теплообмен) - имеет место при омывании твердых поверхностей различной формы текучей средой (лученепрозрачной капельной жидкостью);

- лучистая или радиационная теплоотдача (тепловое излучение) - имеет место при радиационном теплообмене в вакууме или между стенкой и излучающим и поглощающим неподвижным газом;

- радиационно-конвективная теплоотдача (тепловое излучение + конвективный теплообмен) - наиболее часто встречающийся в практике расчетов случай сложного теплообмена;

- конвективная теплоотдача при фазовых превращениях теплоносителя (конвекция + теплопроводность + возможно излучение) - теплоотдача при конденсации и кипении, протекающая с выделением или поглощением теплоты фазового перехода.

Итак, теплопередача включает в себя следующие процессы:

а) теплоотдачу от горячей текучей среды (горячего теплоносителя) к стенке;

б) теплопроводность внутри стенки;

в) теплоотдачу от стенки к холодной текучей среде (холодному теплоносителю).

28. Теплопроводность - это молекулярный перенос теплоты в пространстве за счет индивидуального движения частиц, со­ставляющих вещество (хаотического, поступательного, колеба­тельного, вращательного), в котором происходит теплообмен. Этот процесс возможен в газообразных, жидких и твердых сре­дах.

Основной закон передачи теплоты теплопроводностью - за­кон Фурье (1822 г.), который устанавливает прямую зависимость поверхностного теплового потока q и температурного градиента: q = - (λqrad t), где λ - коэффициент те­плопроводности, Вт/(м-К).

qrad t - разность температур двух соприкасающихся поверх­ностей, град.

Знак минус означает встречное направление векторов градиента температур и теплового потока.

Величина λ зависит от температуры, плотности, влажности, материала.

Стационарная теплопроводность в плоской стенке.

q=- λ(dt/dx)=const; t=-(qx/ λ)+C

Граничные условия:

• если х = 0, то t = t _ст1 и С = t _ст1;

• если х = 5, то t = t _ст2 и С = t _ст1.

В плоской однородной стен­ке при стационарной теплопроводности температура распределя­ется по линейному закону.

Q = qF

Стационарная теплопроводность в цилиндрической стенке

Линейная плотность теплового потока: q l =Q/ l

Тепловой поток: Q=q l F=(λ/r1-r2)(tст1-tст2)F

Распределение темпера­туры по радиусу в пределах слоя происходит по логарифмиче­скому закону

Коэффициент теплопроводности является физическим параметром вещества и в общем случае зависит от температуры, давления и рода вещества. В большинстве случаев коэффициент теплопроводности для различных материалов определяется экспериментально с помощью различных методов. Большинство из них основано на измерении теплового потока и градиента температур в исследуемом веществе. Коэффициент теплопроводности λ, Вт/(м×К), при этом определяется из соотношения:

из которого следует, что коэффициент теплопроводности численно равен количеству теплоты, которое проходит в единицу времени через единицу изотермической поверхности при температурном градиенте, равном единице. Примерные значения коэффициента теплопроводности различных веществ показаны на рис. 1.4 Так как тела могут иметь различную температуру, а при наличии теплообмена и в самом теле температура будет распределена неравномерно, т.е. в первую очередь важно знать зависимость коэффициента теплопроводности от температуры. Опыты показывают, что для многих материалов с достаточной для практики точностью зависимость коэффициента теплопроводности от температуры можно принять линейной:

где λ₀ - значение коэффициента теплопроводности при температуре t₀; b - постоянная, определяемая опытным путём.

Основным законом передачи тепла теплопроводностью явл. закон Фурье, согласно которому кол-во тепла dQ,передаваемое посдедством теплопроводности ч/з элемент поверхности dF, перпендикулярный тепловому потоку, за время dt прямо пропорционально температурному градиенту dt/dn поверхности dF и времени dt:

dQ = - λ dt/dn dF dt (1)

или кол-во тепла, передаваемое ч/з единицу поверхности в единицу времени

q = Q/Ft = - λ dt/dn (2)

Величина q называется плотностью теплового потока.

Знак «минус», стоящий перед правой частью уравнений (1) и (2), указывает на то, что тепло перемещается в сторону падения температуры,

Коэффициент пропорциональности λ называется коэффициентом теплопроводности.

Коэффициент теплопроводности λ показывает, какое кол-во тепла проходит вследствие теплопроводности в единицу времени ч/з единицу поверхности теплообмена при падении температуры на 1 град на единицу длины нормали к изотермической поверхности.

Величина λ характеризующая способность тела проводить тепло путем теплопроводности, зависит от природы в-ва, его структуры, температуры и некоторых других факторов.

30. Закон Нью́тона — Ри́хмана — эмпирическая закономерность, выражающая тепловой поток между разными телами через температурный напор.

Теплоотдача — это процесс теплообмена между теплоносителем и твёрдым телом.

Теплопередача — это процесс передачи тепла от одной среды к другой через разделяющую их стенку. Закон утверждает, что

Плотность теплового потока (выражается в Вт/м²) на границе тел пропорциональна их разности температур (так называемый температурный напор):