Теоретическое введение. Перенос теплоты может осуществляться тремя способами: теплопроводностью, конвекцией и излучением, или радиацией.

Перенос теплоты может осуществляться тремя способами: теплопроводностью, конвекцией и излучением, или радиацией.

Процесс переноса теплоты теплопроводностью происходит между непосредственно соприкасающимися телами или частицами тел с различной температурой.

Теплопроводность представляет собой, согласно взглядам современной физики, молекулярный процесс передачи теплоты. В металлах при такой передаче теплоты большую роль играют свободные электроны.

Известно, что при нагревании тела кинетическая энергия его молекул возрастает. Частицы более нагретой части тела, сталкиваясь при своем беспорядочном движении с соседними частицами тела, сообщают им часть своей кинетической энергии. Этот процесс постепенно распространяется по всему телу. Например, если нагревать один конец металлического стержня, то через некоторое время температура другого его конца также повысится.

Перенос теплоты теплопроводностью зависит от физических свойств тела, от его геометрических размеров, а также от разности температур между различными частями тела.

В основу теории теплопроводности положен закон Фурье, в соответствии с которым тепловой поток Q [Вт] прямо пропорционален градиенту температуры :

, (3.1)

где λ – коэффициент теплопроводности, Вт/(м·°С);

t – температура, °С;

n – расстояние, м;

F – площадь поверхности, через которую передается тепловой поток, м².

Передача тепловой энергии путем теплопроводности может осуществляться через различные поверхности: плоские, цилиндрические, а также произвольной формы. Причем эти поверхности могут быть многослойными.

Ниже рассматривается задача определения коэффициентов теплопроводности при передаче энергии через однослойные цилиндрические стенки, выполненные из двух теплоизоляционных материалов.

В этом случае выражение для определения теплового потока, которое получают на основе использования уравнения Фурье (3.1), имеет следующий вид:

, (3.2)

где l – длина трубы, м;

– температуры внутренней и наружной стенок соответственно, °С;

– внутренний и наружный диаметры трубы соответственно, м.

Из формулы (3.2)

. (3.3)

Вычисленное (определенное) по формуле (3.3) численное значение λ соответствует средней температуре , которая равна .

Для многих материалов (в том числе и исследуемых в данной работе) зависимость теплопроводности λ от можно считать линейной. В связи с этим справедлива формула

, (3.4)

где А и B – постоянные коэффициенты (значения этих коэффициентов нужно определить в выполняемой ниже работе).