Три элементарных вида теплообмена, их характеристики

Согласно второму закону термодинамики, если в теле или в какой-либо термодинамической системе тел возникала разность температур, то из области с более высокой температурой в область с более низкой температурой будет передаваться тепловая энергия. В этом случае говорят, что между указанными областями возник теплообмен. Известные законы и зависимости термодинамики позволяют определить как количество тепловой энергии, передаваемой в результате теплообмена, так и температуру тел, участвующих в нем. Эти законы, кроме того, позволяют найти также скорость передачи тепловой энергии и время, за которое произойдет выравнивание температур. Указанные процессы исследует раздел теплотехники — теория теплообмена. Тела или области тел обмениваются между собой тепловой энергией тремя способами: Теплопроводность — способ теплообмена, основанный на передаче энергии теплового движения микрочастиц путем их соударений. Микрочастицы движутся со скоростями, пропорциональными их абсолютной температуре. В результате их столкновений происходит передача тепловой энергии в отдельно взятом теле из области с более высокой температурой в область с более низкой температурой. Передача тепловой энергии от одного тела к другому в вакууме осуществляется только при контакте тел. Итак, теплопроводность — это перенос тепловой энергии соударением микрочастиц. В металлах, например, этими частицами являются свободные электроны, в жидкостях и газах — молекулы. Конвекция — способ теплообмена, при котором передача тепловой энергии осуществляется путем переноса макроскопических тел из областей тела с высокой температурой в области с низкой температурой. Конвекция свойственна только жидкостям и газам. Перенос обусловлен градиентом давления в жидкости или газе, который вызван наличием либо сил тяжеcти (естественная конвекция), либо источников энергии, приводящих жидкость или газ в движение, например, насосов, вентиляторов и т. п. (вынужденная конвекция). Тепловое излучение — способ теплообмена, основанный на способности всех тел при определенных условиях излучать энергию в виде электромагнитных волн (фотонов) и частиц вещества. При этом излучающее тело теряет тепловую энергию и при этом охлаждается, а тело, которое поглощает излучение, нагревается.

22. Теплопроводность. Дать характеристику этого вида теплообмена. Коэффициент теплопроводности, его физическая сущность. Теплопроводность — передача тепла путем непосредственного соприкосновения (контакта) частиц тепла с различной температурой. При теплопроводности температура внутри тела различна и непрерывна между соприкасающимися частицами тела. Мгновенное значение температуры во всех точках тела для какого-либо момента времени называется температурным полем данного тела. Температурное поле может быть переменным (нестационарным) и постоянным (стационарным) во времени и иметь различные значения температуры в трех, двух и одном измерениях пространства. В соответствии с этим температурное поле называется трех-, двух- и одномерным температурным полем. Температурное поле может быть изображено посредством изотермических поверхностей и линий, соединяющих точки тела с одинаковой температурой. Предел отношения температуры ∆t к расстоянию ∆x называется температурным градиентом, который обозначается lim и имеет размерность в град/м. Температурный градиент является векторной величиной и характеризует степень изменения температуры на единицу длины в направлении ее возрастания. Тепловой поток является также вектором, направление которого противоположно вектору температурного градиента и совпадает с направлением переноса тепла, а абсолютная величина его выражает интенсивность теплопередачи. Тепловой поток (интенсивность теплопередачи посредством теплопроводности) пропорционален температурному градиенту (закон Фурье). q= -ƛ(dt/dx) где q - тепловой поток в ккал/(м*ч); λ - коэффициент пропорциональности, называемый коэффициентом теплопроводности; dt и dx - температурный градиент. lim= dt/dx. λ = qδ/t1-t2 где q - тепловой поток в ккал/м² *ч; δ - толщина стенки в м; t1-t2 − - разность температуры между противоположными поверхностями стенки в град; λ - коэффициент теплопроводности материала в ккал/м ч град.

23. Основной закон теплопроводности. Величины, влияющие на процесс теплопроводности. Что является носителем энергии? Всякое физическое явление протекает во времени, пространстве и связано с понятием поля (температур, давлений, потенциала). Процесс теплопроводности связан с распределением температур внутри тела. Температу­ра характеризует степень нагрева и тепловое состояние тела. Совокупность значений температур в различных точках пространства в различные моменты времени называется температурным полем. Если температура конкретной точки тела зависит только от координат T = f (x, y, z), то такое температурное поле называется стационарным, а если от координат и времени T = f (x, y, z, х) - нестационарным. Различают стационар­ное (независящее от времени) и нестационарное (зависящее от времени) поле температур, а также одно-, двух- и трехмерное поле, которое характе­ризуется одной, двумя или тремя координатами. Изотермическая поверхность - это геометрическое место точек оди­наковой температуры. Любая изотермическая поверхность разделяет тело на две области: с большей и меньшей температурой. Теплота переходит через изотермическую поверхность в область более низкой температуры. Количество теплоты A Q (Дж), проходящее в единицу времени Дх (с) через произвольную изотермическую поверхность, называется тепловым пото­ком Q, Дж/с (Вт). В общем случае тепловой поток может совпадать или не совпадать с линией тока теплоты, может изменяться вдоль линии тока теп­лоты или оставаться постоянным. Значения теплового потока могут зави­сеть или не зависеть от времен. Интенсивность теплообмена характеризуется плотностью теплового потока. Плотностью теплового потока q (или удельным тепловым пото­ком) называется количество теплоты A Q (Дж), проходящее через единицу поверхности F (м²) в единицу времени Дх (с): q = Д Q /Дх F, Дж/(м².с) или Вт/м². Следовательно, плотность теплового потока q это тепловой поток Q (Вт), отнесенный к единице поверхности F (м²): q = Q/F, Вт/м². Французский ученый Жан Батист Фурье, установил, что для изотропных (твердых) сред количество передаваемой теплоты A Q (Дж) пропорционально падению температуры (-дT/дn), времени Дх (с) и площади сечения F (м²), перпендикулярного направлению распространения теплоты. Матем. выражение закона теплопроводности Фурье: _A Q = -λ T F_A τ или Q = -λ T F, или q = -λ/ T.