Теплопроводность
Способы передачи теплоты
Из второго закона термодинамики следует, что самопроизвольный процесс переноса теплоты возникает под действием разности температур и направлен в сторону ее уменьшения.
Во всех веществах теплота передается теплопроводностью за счет переноса энергии микрочастицами.
Перенос теплоты вместе с макроскопическими объемами вещества носит название конвективного теплопереноса, или – конвекции. Движущаяся среда, используемая для переноса теплоты, называется теплоносителем. Различают естественное и вынужденное движение (конвекцию) жидкости. Естественная (свободная) конвекция происходит под влиянием разности плотностей, а вынужденная конвекция возникает вследствие воздействия принудительного источника энергии.
Конвективная теплоотдача – это передача теплота отдается от жидкости к поверхности или наоборот.
Излучение (радиация) – передача тепла излучением (фотонами).
Сложным процессом переноса теплоты от одного теплоносителя к другому через разделяющую их стенку называется теплопередачей и объединяет все элементарные процессы. Вначале теплота передается от горячего теплоносителя к одной из поверхностей стенки конвективным теплообменом, который может сопровождаться излучением, затем, теплота теплопроводностью переносится от одной поверхности стенки к другой, в конце, теплота опять путем конвективного теплообмена передается от поверхности стенки к холодной жидкости.
|
|
Интенсивность переноса теплоты характеризуется плотностью теплового потока q, т.е. количеством теплоты, передаваемой в единицу времени через единицу поверхности (Вт/м2).
Основной закон теплопроводности
В общем случае температура t является функцией координат x, y, z и времени τ.
Совокупность значений температуры для всех точек пространства в данный момент времени называется температурным полем - τ). Температура меняется во времени, то поле - неустановившимся (нестационарным), а если не меняется – установившимся (стационарным). Температура быть функцией одной, двух и трех координат - Соответственно одно -, двух - и трехмерным ( -одномерное стационарное поле).
Рисунок - Закон Фурье.
Предел отношения изменения температуры Δt к расстоянию между изотермами по нормали Δn называется градиентом температуры:
, (К/м).
grad t - вектор, направленный по нормали к изотермической поверхности в сторону возрастания температуры.
Согласно основному закону теплопроводности – Закону Фурье, вектор плотности теплового потока, передаваемого теплопроводностью, пропорционален градиенту температуры:
|
|
, (6.1)
где λ – коэффициент теплопроводности вещества, характеризует его способность проводить теплоту, (Вт/(м∙К)),
- плотность теплового потока, характеризует количество тепла, прошедшего через элементарную площадку в единицу времени.
Знак минус в уравнении (6.1) указывает на то, что вектор теплового потока противоположно направлен вектору grad t.
Коэффициент теплопроводности λ характеризует способность данного вещества проводить теплоту:
, (6.2)
Тепловым потоком Q называют количество тепла, прошедшего через произвольную площадку в произвольный промежуток времени:
. (6.3)