Основные понятия теплопередачи и термоупругости. Стационарная Теплопроводность

Что такое теплопередача?

Определение 1. Теплопередачей или теорией теплообмена называют науку, изучающую законы распространения теплоты.

Теплотехника равна сумме двух наук = Термодинамика + Теплопередача. Есть еще теория тепломассообмена (ТМО) – наука, изучающая законы

переноса теплоты и массы.

Актуальностьпроблемы: так как согласно II закону термодинамики

любая форма энергии с необычайной лёгкостью переходит в тепловую, то можно сказать, что «теплообмен присутствует везде».

1) В естественных, природных явлениях:

а) Теплообмен между солнцем и землёй; б) костры древних®"Огонь Прометея"; в) круговорот воды в природе: солнце, нагрев воды в океанах, морях, реках, испарение– водяной пар в атмосфере, конденсация, выпадения дождя и снега и т.д.

2) В технике: в любой отрасли промышленности:

а) металлургия ®чёрная и цветная, литейное производство; доменные и мартеновские печи, конвертор, нагревательные печи и устройства; есть даже целая наука – металлургическая теплотехника, которая занимается изучением процессов ТМО применительно к производству металлов.

б) теплоэнергетика, ядерная и термоядерная энергетика, МГД-генераторы и т.д.

в) строительная теплофизика, транспорт, и т.д.

Неучет тепловых явлений может приводить к неприятным последствиям, особенно когда создаются новые конструкции. Например, а) были проблемы с охлаждением бетатрона – ускорителя электронов; б) система охлаждения футеровки медеплавильной печи.

Сначала футеровка плавильной печи была сильно завышена, но тем не менее быстро выгорала. После организации интенсивного охлаждения за счет встроенных в футеровку водяных холодильников компания печи была увеличена от 3 суток до 3 лет. Таким образом, актуальность и значимость изучения ТМО доказана.

Немного истории: сначала нужно было познать что есть теплота?

Основные периоды становления теплопередачи как науки:

1) наивная формулировка (понятие) древних: теплота это когда не холодно.

2) с 1620 г. более 200-х сот лет продержалась теория теплорода- гипотеза Галилея о всепроникающей невесомой жидкости – (флогистона или эфира), которая в процессе теплообмена перетекала от горячих тел к более холодным.

3) 1744 г. Правильные, т.е. близкие к современным понятиям основы учения о теплоте были заложены в 1744 Ломоносовым М.В. в его работе "Размышления о причине теплоты и холода". Он установил, что физическая сущность теплоты это процесс распространения тепла за счет передачи движения от одних микрочастиц тела к другим.

4) в 1822 г. Французский ученый Жан Батист Жозеф Фурье опубликовал работу "Аналитическая теория тепла для твёрдых тел". В почти таком же виде мы и используем её сейчас. Он не только получил дифференциальное уравнение переноса теплоты, но и предложил методы его решения – метод разделения переменных Фурье.

5) Бурное развитие теории теплопередачи – XX век. «Социальные заказы» – транспорт, энергетика, металлургия, промышленность, ядерная энергетика, космическая техника и т.д. по настоящее время.

Понятие о тепловом потоке. В термодинамике важнейшей величиной является количество переданной (полученной) теплоты Q, Дж. В теплопередаче важнее знать динамику изменения теплоты в единицу времени, которая была названа тепловым потоком Q = Q/t, Дж/с=Вт. Далее вводится плотность теплового потока или удельный тепловой поток (нагрузка) q= Q/Ft, Вт/м² – это количество теплоты, переданной в единицу времени с 1 м² поверхности тела.

Напомним одну из формулировок II начала термодинамики: «Теплота самопроизвольно распространяется от тел с большей температурой к телам с меньшей температурой», (аналогия с поведением воды, водопад, плотина, ГЭС, и т.д.).

Определение 2. Необходимым и достаточным условием возникновения процесса теплообмена или передачи теплоты является наличие разности температур между телами (системами). При этом, разность Dt представляет собой движущую силу процесса теплообмена, т.е. чем больше Dt, тем интенсивнее протекает процесс. (встречаются исключения из этого правила: парадокс прыгающей капли).