Основной закон теплопроводности. Ттеплопередача теплопроводностью и конвекцией

Ттеплопередача теплопроводностью и конвекцией

Теплопередача - передача теплоты от горячего теплоносителя к холодному теплоносителю через стенку, разделяющую эти теплоносители. При этом ограждающая стенка является проводником теплоты, через которую теплота передается теплопроводностью, а от стенки к окружающей среде конвекцией и излучением. Поэтому процесс теплопередачи является сложным процессом теплообмена.

Теплопроводность – один из видов переноса теплоты (энергии теплового движения микрочастиц) от более нагретых частей тела к менее нагретым, приводящий к выравниванию температуры. При теплопроводности перенос энергии в теле осуществляется в результате непосредственной передачи энергии от частиц (молекул, атомов, электронов), обладающих большей энергией, частицам с меньшей энергией.

Основной закон теплопроводности

Для распространения теплоты в любом теле или пространстве необходимо наличие разности температур в различных точках тела. Это условие относится и к передаче теплоты теплопроводностью, при которой градиент температуры в различных точках тела не должен быть равен нулю.

Гипотеза Фурье:

.

– количество теплоты, проходящим за промежуток времени – через элементарную площадку – dS, расположенную на изотермической поверхности, устанавливается

- коэффициент теплопроводности

Отношение количества теплоты, проходящего через заданную поверхность, ко времени называют тепловым потоком. Тепловой поток обозначают q и выражают в ваттах (Вт):

.

Количество тепла dQ, передаваемое посредством теплопроводности через элемент поверхности dF, перпендикулярный тепловому потоку, за время dt прямопропорционально температурному градиенту ¶t/¶n, поверхности dF и времени dt:

Таким образом, для определения количества теплоты, проходящего через какую-либо произвольную поверхность твердого тела, необходимо знать температурное поле внутри рассматриваемого тела. Нахождение температурного поля и составляет основную задачу аналитической теории теплопроводности.

Физический смысл коэффициента теплопроводности

Коэффициенты теплопроводности l сплошных однородных сред зависят от физико-химических свойств вещества (структура вещества, его природа). Значения теплопроводности для многих веществ табулированы и могут быть легко найдены в справочной литературе.

Значения коэффициента теплопроводности для некоторых газов, жидкостей и твёрдых тел при атмосферном давлении, зависит от агрегатного состояния вещества, его атомно-молекулярного строения, температуры и давления, состава и т. д.

На примере строительных материалов можно сказать, что чем меньше объемный вес затвердевшего вяжущего, тем < коэф. теплопроводности. Теоретически коэф. теплопроводности материала тем меньше, чем большее количество пор содержит материал, но практического влияния пористость стенок ячеек не имеет. С повышение температуры коэф. теплопров. у стекол >, а в кристаллах имеет обратное явление. Также при увлажнении материалов теплопроводность повышается.

Конвекция –процесс переноса тепла, происходящий в движущихся текучих средах (жидкостях либо газах) и обусловленный совместным действием двух механизмов переноса тепла — собственно конвективного переноса и теплопроводности.Таким образом, в случае конвекции распространение тепла в пространстве осуществляется за счёт переноса тепла при перемещении текучей среды из области с более высокой температурой в область с меньшей температурой, а также за счёт теплового движения микрочастиц и обмена кинетической энергией между ними.

Для описания конвективной теплоотдачи используется формула:

q_cт = в (Т₀—Т_ст),

где q_cт — плотность теплового потока на поверхности, вт/м²; в — коэффициент теплоотдачи, вт/(м²°С); T₀ и Т_ст — температуры среды (жидкости или газа) и поверхности соответственно. Величину T₀ — Т_ст называют температурным напором. Коэффициент теплоотдачи в характеризует интенсивность процесса теплоотдачи; он возрастает при увеличении скорости движения среды и при переходе от ламинарного режима движения жидкости к турбулентному в связи с интенсификацией конвективного переноса. Он также всегда больше для тех сред, у которых выше коэффициент теплопроводности. Коэффициент теплоотдачи существенно повышается, если на поверхности происходит фазовый переход (например, испарение или конденсация), всегда сопровождающийся выделением (поглощением) скрытой теплоты.

Явление конвекции можно объяснить законом Архимеда и явлением теплового расширения тел. При повышении температуры объем жидкости возрастает, а плотность уменьшается. Под действием архимедовых сил менее плотная нагретая жидкость поднимается вверх, а более плотная холодная жидкость опускается вниз. Если же жидкость нагревать сверх, то менее плотная теплая жидкость там и останется и конвекция не возникнет.

Естественная конвекция. Для ее возникновения требуется подогрев жидкости снизу (или охлаждение сверху), причем нагрев в разных участках должен быть неравномерным.

Принудительная конвекция. Потоки нагретой (или охлажденной) жидкости или газа переносятся под действием насосов или вентиляторов. Такая конвекция используется в тех случаях, когда естественная конвекция оказывается недостаточно эффективной, а также в состоянии невесомости, когда естественная конвекция невозможна.

Процессы конвективной теплопередачи чрезвычайно широко распространены в технике (энергетике, холодильной технике, ракетной технике, металлургии, химической технологии), а также в природе (перенос тепла в атмосфере, в морях и океанах).

Например, отопительные батареи-радиаторы располагаются вблизи пола под подоконником. Поэтому нагреваемый ими воздух, поднимаясь вверх, смешивается с холодным воздухом, опускающимся от окна. В результате в комнате устанавливается почти равномерная температура. Типичными примерами конвекции в атмосфере являются ветры, в частности бризы и муссоны. Нагреваясь над одними участками Земли и охлаждаясь над другими, воздух начинает циркулировать, перенося с собой энергию и влагу. Дым из печной трубы или кратера вулкана имеет высокую температуру и низкую плотность, поэтому поднимается вверх. По мере остывания дым может снова опускаться в нижние слои атмосферы. Вот почему трубы, через которые выбрасываются вредные вещества, стараются делать как можно более высокими.