4 Теплообмен

4.1 Основы теории передачи теплоты

4.1.1 Виды теплообмена

Теплообменом называется перенос тепла из одной области пространства в другую. Этот перенос может осуществляться с помощью теплопроводности, конвекции и теплового излучения.

Теплопроводностью называется процесс распространения тепла внутри тел посредствам столкновения молекул и путем термодиффузии. Теплопроводность в жидких телах обеспечивается распространением колебательных движений молекул и атомов в направлении менее нагретых областей.

В металлах большое значение в передаче тепла имеют свободные электроны, которые ведут себя подобно одноатомному идеальному газу. Передача тепловой энергии, теплопроводностью реализуется в газах, жидкостях и твердых телах.

Конвекцией называется перенос тепла из одной точки тела в другую частицами тела, перемещающимися в пространстве. Частицы тела в этом случае выполняют роль носителей тепла из области с высокой температурой в область с меньшей температурой. Конвекция может быть только в подвижных средах, т.е. в жидкостях и газах.

Различают свободную и вынужденную конвекцию.

Свободная конвекция проявляется тогда, когда перемещение частиц осуществляется под действием массовых сил (инерции и тяготения) при наличии различной плотности среды в условиях неоднородного температурного поля.

Вынужденная конвекция осуществляется под действием поверхностных сил (давления, трения).

Тепловым излучением тепло может распространяться внутри газов и между твердыми телами в виде электромагнитных волн с различными длинами. Это излучение может поглощаться другими телами, которые вследствие этого нагреваются. Таким образом, процесс излучения тепла в виде электромагнитной энергии называют тепловым излучением.

4.1.2 Температурное поле

В процессе теплообмена каждое тело в каждый момент времени характеризуется определенным распределением температур по всему объему этого тела. Распределение температуры по всему объему тела называется температурным полем данного тела.

В том случае, если это распределение не меняется во времени , температурное поле называют стационарным, т.е. , а если меняется, то нестационарным, т.е. (4.1)

В дальнейшем будем рассматривать только такие тепловые процессы, которые характеризуются одномерным, стационарным температурным полем. В этом случае температура каждой точки тела является функцией только одной координаты . (4.2)

В общем случае температура каждой точки тела при стационарном режиме является функцией координат . (4.3)

4.1.3 Температурный градиент

Если соединить все точки тела, обладающие одинаковой температурой, то получим поверхность равных температур, называемой изотермической.

Изотермические поверхности не пересекаются. Изменение температуры в теле наблюдается лишь в направлениях, пересекающих изотермические поверхности. Скорость изменения температуры с расстоянием вдоль какого-либо направления характеризуется отношением .

Максимальная скорость изменения температуры соответствует направлению нормали n.

Придел отношения приращения температуры к расстоянию между изотермами по нормали называется температурным градиентом.

(4.4)

Температурный градиент есть вектор, направленный по нормали к изотермической поверхности в сторону возрастания температур. Он имеет размерность .