Теплопроводность, закон Фурье.

Теплопроводность определяется тепловым движением микрочастиц тела (молекул, атомов, ионов и электронов). Обмен энергии между движущимися частицами происходит в результате непосредственного столкновения их и при этом тела обладающей большой энергией сообщают долю ее соседним частицам энергии которых меньше. В газах перенос энергии происходит путем диффузии молекул и атомов в жидкостях и твердых диэлектриков путем упругих волн обметала осуществляется колеблющимися ионами решетки и диффузии свободных электронов.

Связь между количеством теплоты dQ происходит через элементарную площадку dF расположенную на изотермической поверхности за промежуток времени dτ устанавливается законом Фурье:

dQ= –λ grad t _* dF _* dτ

где: Q – тепловой поток или отношение количества теплоты проходящего через заданную поверхность за единицу времени (измеряется в ватах Вт); λ – множитель пропорциональности или коэффициент теплопроводности (зависит от физической структуры тела и температуры; (измеряется λ )) grad t– это вектор направленный по нормали к изотермической поверхности в сторону возрастания температуры; «–»(в правой части уравнения) – показывает, что направление теплового потока и градиент температуры является противоположным

Отношение теплового потока к площади поверхности называется плотностью теплового потока:

 

 

Конвективный теплообмен.

Под конвенцией понимают процесс передачи теплоты из 1-ой части пространства в другую движущимися потоками жидкости или газа в зависимости от причины вызывающей движения конвекция может быть:

1. Свободная (естественная конвекция) она возникает из-за разности плотностей неравномерной нагретой среды.

2. Вынужденная конвекция она происходит за счет действия внешних сил и принудительно движение среды осуществляется нагнетателями (насосами, вентиляторами или компрессорами).

Конвективный теплообмен между потоками теплоносителей и поверхностью называется конвективной теплоотдачей и описывают уравнение Ньютона — Рихмана

Q_к=α_{к *} F_* ∆t; (Вт)

q_к=α_{к *} ∆t;

где: ∆t — средняя разность температур между греющей средой и нагреваемой поверхностью или температурный напор (измеряется в градусах); α_к — (коэффициент теплоотдачи) — это количество в единицу времени от стенки к окружающей среде при условии разности температур между ними в 1 градус;

α_к= ;

Величину обратную коэффициенту теплоотдачи называется термическим сопротивлением теплоотдачи.

Термическое сопротивление теплопроводности

Коэффициент конвективной теплоотдачи зависит от многих составляет от 2-х (при свободном движении воздуха до 5 тысяч и более; при вынужденном движении воды в трубах) он зависит от скорости потока и характера движения, от формы и размера обтекаемого тела и от свойств и состояние среды.

 

12) Лучистый теплообмен — перенос тепловой энергии в виде электромагнитных волн между двумя взаимно излучающими поверхностями. Интенсивность излучения зависит от взаимного расположения поверхностей, излучательной и поглощательной способности тел. Отличается от теплопроводности иконвекции тем, что теплота в этом случае может передаваться через вакуум. Сходство же его с другими способами передачи тепла в том, что он тоже обусловлен разностью температур. Тепловое излучение — это один из видов электромагнитного излучения. Другие его виды — радиоволновое, ультрафиолетовое и гамма-излучения — возникают в отсутствие разности температур.

На рисунке представлена зависимость энергии теплового (инфракрасного) излучения от длины волны. Тепловое излучение может сопровождаться испусканием видимого света, но его энергия мала по сравнению с энергией излучения невидимой части спектра.

Интенсивность теплопередачи путем теплопроводности и конвекции пропорциональна температуре, а лучистый тепловой поток пропорционален четвертой степени температуры и подчиняется закону Стефана — Больцмана

где, как и ранее, q — тепловой поток (в джоулях в секунду, т.е. в Вт), A — площадь поверхности излучающего тела (в м²), а T₁ и T₂ — температуры (в кельвинах) излучающего тела и окружения, поглощающего это излучение. Коэффициент s называется постоянной Стефана — Больцмана и равен (5,66961 + 0,00096)·10^—8 Вт/(м² ·К⁴).