Основные понятия и определения. Обмен тепловой энергией между физическими телами (или системами), вызванный наличием разности температур этих тел (или систем)

Теплообмен

Обмен тепловой энергией между физическими телами (или системами), вызванный наличием разности температур этих тел (или систем), принято называть теплообменом. Такой перенос теплоты в соответствии со вторым законом термодинамики всегда имеет определенное направление — от более нагретых тел (или систем) к менее нагретым. Теплота может распространяться в любых веществах и даже через вакуум.

В реальных условиях теплообмен является сложным процессом. Однако ради простоты изучения различают три элементарных вида теплообмена: теплопроводность (кондукцию), конвекцию и тепловое излучение. При теплопроводности перенос теплоты происходит за счет соударений и диффузии частиц тел, а также квантов упругих колебаний их кристаллических решеток — фононов — при макроскопической неподвижности всей массы вещества. В наиболее чистом виде теплопроводность можно наблюдать в твердых телах и тонких неподвижных

слоях жидкости и газа. В металлах и полупроводниках теплообмен осуществляется за счет соударений и диффузии свободных электронов а также упругих колебаний кристаллической решетки, т.е. теплопроводность складывается из двух слагаемых — электронной и фононной.

В металлах вторая слагающая мала, в полупроводниках она больше, а в диэлектриках является основной. Основной закон теплопроводности — закон Фурье — является феноменологическим описанием процесса и имеет вид:

q =–λ grad t,

где q — удельный тепловой поток, Вт/м2; λ — коэффициент теплопроводности вещества, Вт/ (м·град); grad t — градиент температуры, град/м.

Под конвекцией тепла понимают процесс передачи его из одной части пространства в другую перемещающимися макроскопическими объемами жидкости или газа. В зависимости от причины, вызывающей движение, конвекция может быть свободной (естественной) или вынужденной, происходящей за счет действия внешних сил. Естественное или свободное движение жидкости или газа, а следовательно, и конвекция теплоты вызываются разностью удельных весов неравномерно нагретой среды; принудительное движение осуществляется нагнетателями (насосами, вентиляторами, компрессорами и др.).

Из определения конвекции следует, что количество передаваемой конвекцией в единицу времени теплоты прямо связано со скоростью движения среды. Теплота передается главным образом в результате происходящих потоков жидкости или газа (макрообъемов), но отчасти распространяется и в результате обмена энергией между частицами, т.е. теплопроводностью. Таким образом, конвекция всегда сопровождается теплопроводностью (кондукцией), и, следовательно, теплопроводность является неотъемлемой частью конвекции. Совместный процесс конвекции теплоты и теплопроводности называют конвективным теплообменом. Конвективный теплообмен между потоком теплоносителя и поверхностью называют конвективной теплоотдачей или теплоотдачей соприкосновением и описывают формулой Ньютона — Рихмана:

q к = αк Δ t,

где q к — удельный поток теплоты, Вт/м2; αк — коэффициент конвективной

теплоотдачи, Вт/ (м2·град); Δ t — средняя разность температур между греющей средой и нагреваемой поверхностью (температурный напор), град.

Величину, обратную коэффициенту теплоотдачи 1/αк, называют термическим сопротивлением. Коэффициент конвективной теплоотдачи зависит от многих факторов: скорости потока и характера движения, формы и размера обтекаемого тела, свойств и состояния среды и пр. При теплообмене излучением (называемом также лучистой, — или радиационной теплоотдачей) тела не соприкасаются друг с другом и перенос теплоты между ними при наличии разности температур Т 1 > Т 2 осуществляется с помощью электромагнитной энергии. Происходит двойное превращение энергии — в теле с Т 1 теплота превращается в излучение — носитель электромагнитной энергии, а в теле с Т 2 в результате поглощения излучения электромагнитная энергия снова превращается в теплоту.