Общая характеристика процессов передачи теплоты

 

       Теплопередача – это учение о процессах распространения теплоты между различными телами как соприкасающимися, так и находящимися на некотором (подчас весьма значительном) расстоянии друг от друга. Энергетический обмен между взаимодействующими физическими областями, необходимой и достаточной причиной которого служит неодинаковость температур этих областей, называется теплообменом или теплопередачей.

Рассматриваемый вид энергетического обмена обуславливается температурным состоянием его участников (а температура, с молекулярно-кинетической точки зрения, является величиной статистического характера) и имеет смысл только применительно к макроскопическим телам.

Мерой теплопередачи служит количество перенесенной теплоты Q [Дж], которое называется тепловым потоком.

Процессы теплопередачи пронизывают все области технических и биологических знаний человека. Наиболее сложным и совершенным теплообменным аппаратом является человеческий организм. Расстройство его терморегулирования на десятые доли градуса приводит к ухудшению деятельности всех его органов.

Существует бесчисленное множество теплообменных процессов, которые по своей физической сущности могут быть разбиты на три основные группы:

1. Теплопроводность (кондукция) – молекулярный процесс переноса теплоты в виде переноса импульса движения от молекулы к молекуле данного тела. Осуществляется самопроизвольно от участков тела с большей температурой к участкам с более низкой температурой. Очевидно, что чем меньше расстояние между молекулами, тем проводимость теплоты проявляется лучше. Отсюда она высока в твердых телах и исчезающе мала в газах и парах, например серебра= 458 Вт/м∙град,

возд≈ 0,025 Вт/м∙град, где λ – коэффициент теплопроводности (определяет количество теплоты, которое проводит вещество, и является основной характеристикой теплопроводности).

2. Теплоотдача (конвекция) – молярный процесс переноса теплоты вместе с потоком теплоносителя. Эффект передачи теплоты теплопроводности становится в этом случае второстепенным. Основной характеристикой теплоотдачи является коэффициент теплоотдачи , определяющий количество теплоты, передаваемой теплоотдачей к или от подвижного теплоносителя теплообменной поверхности. Значение

 меняется в очень широких пределах.

В описанных выше процессах теплота переносится соприкосновением, т.е. осуществляется при непосредственном контакте физических областей с разными температурами.

3. Лучистый теплообмен (радиация) – процесс распространения тепловой энергии в виде тепловых волн, распространяющихся со скоростью света. Материальным носителем излучения служит электромагнитное поле, а разница между тепловым и световым лучом заключена только в величине их длин волн (свет 0,4 ÷ 0,8 мк, теплота 0,8 ÷ 40 мк и до

).

Как правило, различные теплообменные процессы осуществляются комплексно, т.е. наблюдается совместное протекание процессов радиации, теплопроводности и конвекции. Комбинации могут быть самые различные.

Комплексный теплообменный процесс, включающий несколько частных, в целом называется теплопередачей. Интенсивность как частных, так и комплексных теплообменных процессов зависит от величины ряда определяющих факторов, к основным из которых относятся следующие:

1. Температурный напор ∆t, представляющий разность температур между различными участками исследуемого пространства, участвующего в теплообмене. Как правило, увеличение

t интенсифицирует теплообмен (за исключением пленочного кипения).

2. Физические свойства теплообменивающихся сред.

 

1.2 Контрольные вопросы

 

1. Что такое теплопередача?

2. Что такое теплопроводность, теплоотдача и лучистый теплообмен?

3. Что определяет интенсивность теплопередачи?

 

ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ

Основные понятия

 

Передача теплоты теплопроводностью связана с наличием разности температур тела.

Температурное поле – совокупность значений температуры в данный момент времени для всех точек изучаемого пространства, в котором протекает процесс.

В общем случае уравнение температурного поля имеет вид

где t – температура тела;

- координаты точки. Такое поле называется нестационарным, оно отвечает неустановившемуся режиму теплопроводности.

Если температура тела не изменяется с течением времени, поле называется стационарным. В этом случае

                                      (1)

Температура может быть функцией одной, двух и трех координат. Соответственно этому температурное поле называется одно-, двух- и трехмерным.

Для одномерного стационарного температурного поля

                      (2)

Если соединить все точки тела с одинаковой температурой, то получим поверхность равных температур – изотермическую поверхность. Изотермические поверхности не могут пересекаться, все они либо замыкаются на себя, либо кончаются на границе тела.

Изотерма (линия постоянной температуры) получается в результате пересечения изотермической поверхности плоскостью. Изменение температуры в теле наблюдается лишь в направлениях, пересекающих изотермические поверхности или изотермы.

                                                     Наиболее резкое изменение темпера-

                                                   туры получается в направлении нор-

                                                   мали n к изотермам. Интенсивность

                                                   изменения температуры в каком-либо

                                                   направлении характеризуется отноше-

нием

 принимающим наибольшее

                                                   значение в направлении n (рис. 1).

              Рис. 1

Предел отношения изменения температуры (

еще называют температурным напором) к расстоянию между изотермами по нормали ∆ n при

называется температурным градиентом, имеющим размерность [град/м]:

grad t = lim

 [град/м].                           (3)

Таким образом, градиент температуры есть вектор, направленный по нормали к изотермной поверхности в сторону возрастания температуры и численно равный частной производной от температуры по этому направлению. grad t является мерой интенсивности изменения температуры. Самопроизвольно теплота переносится только в сторону убывания температуры.

Тепловым потоком Q называется количество теплоты, переносимой в единицу времени τ через произвольную поверхность. Тепловой поток, отнесенный к единице поверхности F, называется плотностью теплового потока, удельным тепловым потоком или тепловой нагрузкой поверхности q.

Если поверхность, через которую передается теплота, изотермическая,

то q является вектором, направление которого совпадает с направлением

распространения теплоты в данной точке и противоположно направлению вектора grad t (рис. 1).

 

 

 

Закон Фурье

 

Для распространения теплоты в любом пространстве необходима разность температур. Т.е. при передаче теплоты теплопроводностью необходимо, чтобы градиент температур в различных точках тела не был равен 0.

Согласно экспериментальным исследованиям Фурье, количество переданной теплоты пропорционально падению температуры ∆ t, времени τ, площади сечения F, перпендикулярного направлению распределения теплоты, и обратно пропорционально толщине тела

, в котором передается теплота

,                                   (4)

где λ – множитель пропорциональности (знак «-» показывает, что теплота передается в сторону уменьшения температуры).

Исходя из определения q справедлива запись

.                                             (5)                                                                   

Множитель пропорциональности

 называется коэффициентом теплопроводности, характеризует способность вещества проводить теплоту и является физическим свойством веществ

.                                        (6)

Коэффициентом теплопроводности

 называется количество теплоты, которое проходит в единицу времени через 1 м2 изотермической поверхности при температурном градиенте, равном 1 (при разности температур в 1о на единице толщины 1м). Отсюда единицей измерения λ будет [вт/м2 град/м] =

[вт/м град].

Для различных веществ коэффициент теплопроводности  различен и в общем случае зависит от структуры, плотности, влажности, давления и температуры. Для ответственных расчетов

 нужно определять экспериментально. Для большого числа материалов

,

где

- коэффициент теплопроводности при температуре to;

  b – постоянная, определяемая опытным путем.

Для газов, применяемых в технике, 0,02 <

 < 0,2 вт/м град. С ростом температуры теплопроводность газов растет, от давления не зависит.

Механизм распространения теплоты в капельных жидкостях представляется как перенос энергии путем нестройных упругих колебаний. С повышением температуры

жидкостей убывает, исключение составляют вода и глицерин. Для жидкостей 0,08

 < 0,7 вт/м град.

Для строительных материалов с ростом температуры  падает, для материалов с большей плотностью  выше. Существенное влияние на  оказывает влажность. Если

 < 0,25 вт/м град, то материал может применяться для тепловой изоляции.

У металлов с ростом температуры  падает, т.к. при повышении to вследствие усиления тепловых неоднородностей рассеивание электронов увеличивается. Металлы являются лучшими проводниками теплоты. Для металлов 7,9 <

 < 458 Вт/м град.

В неметаллах (диэлектриках) с повышением to

 увеличивается.