Глава 2 теплоперенос. Основные характеристики и законы
2.1. Виды теплообмена
Одним из основных процессов, рассматриваемых в строительной теплофизике, является теплообмен, происходящий в конструкциях зданий. Теплообмен возникает, если существует разность температур в отдельных зонах помещения или участках строительной конструкции. При этом тепловая энергия распространяется от зоны с более высокой температурой в зону с более низкой температурой.
Различают три вида (или способа) переноса тепла: теплопроводность, конвекция и тепловое излучение.
Теплопроводность – это теплоперенос при непосредственном соприкосновении тел или частей одного тела с разной температурой. Механизм теплопроводности можно объяснить на основе молекулярно-кинетических представлений; перенос энергии осуществляется вследствие теплового движения микрочастиц (молекул, атомов, электронов), составляющих тело, и взаимодействия между ними.
Конвекцией называется перенос теплоты при движении жидкости или газа из области с одной температурой в область с другой.
Тепловое излучение (лучистый теплообмен) - это теплообмен между телами с разной температурой через лучепрозрачную среду (например, воздух, вакуум) с помощью электромагнитных волн. Он состоит из превращения внутренней энергии тела в энергию излучения, переноса излучения и его поглощения другим телом.
Теплопроводность в чистом виде большей частью имеет место лишь в твердых телах. Конвекция всегда сопровождается теплопроводностью. Частным случаем конвективного теплообмена является теплоотдача – теплообмен между движущейся средой и поверхностью твердого тела. Теплоотдача может сопровождаться тепловым излучением.
Процессы переноса тепла в зданиях и их ограждающих конструкциях связаны со всеми видами теплообмена. Однако в воздушной среде у поверхностей конструкции, а также в воздушных прослойках и пустотах преобладает теплообмен конвекцией и излучением, в твердых же материалах конструкций перенос тепла осуществляется путем теплопроводности.
Включающий все виды теплообмена перенос тепла от нагретой среды к холодной через разделяющую эти среды стенку называется теплопередачей.
2.2. Теплопроводность
Процесс теплопроводности неразрывно связан с распределением температуры внутри тела.
Совокупность значений температуры для всех точек тела в данный момент времени называется температурным полем. В общем случае температура t является функцией координат x,y,z и времени τ, то есть уравнение температурного поля имеет вид
t = f (x,y,z,τ) (2.1)
Если температура со временем меняется, то поле называется нестационарным, а если не меняется – стационарным. В последнем случае
t = f (x,y,z) (2.2)
В строительной физике обычно не рассматриваются пространственные температурные поля, так как для большинства практических расчетов достаточно изучить двухмерное или одномерное температурное поле, возникающее в одной из проекций, т.е. в плане или разрезе конструкции. В этом случае при стационарных условиях температура в каждой точке проекции является функцией одной или двух координат:
t = f (x,y) - двухмерное стационарное температурное поле;
t = f (x) - одномерное стационарное температурное поле.
Температурное поле можно наглядно представить, если соединить точки с одинаковыми температурами и получить таким образом изотермы – линии равных температур. Так как в одной точке пространства одновременно не может быть двух разных температур, изотермы друг с другом не пересекаются. Изменение температуры в теле наблюдается лишь в направлениях, пересекающих изотермы, а сильнее всего температура меняется по нормали к изолиниям (рис.2.1).
Важной величиной, характеризующей температурное поле, является градиент температуры.
Рассмотрим отношение изменения температуры между двумя изотермами Δt к кратчайшему расстоянию между ними Δn (рис.2.1). Предел отношения Δt / Δn при Δn, стремящимся к нулю, дает численное значение температурного градиента.
(2.3)
Градиент температуры является мерой интенсивности изменения температуры в направлении нормали к изолиниям. Он является вектором и направлен в сторону возрастания температуры. Единица измерения grad t - ˚C/м.
Тепло самопроизвольно переносится только в сторону убывания температуры. Количество теплоты, переносимого в единицу времени через произвольную поверхность, называется тепловым потоком Q, Вт. Количество тепла, проходящее в единицу времени через единицу площади, - это плотность теплового потока (или удельный тепловой поток) q, Вт/м2. q – это вектор, направленный в сторону уменьшения температуры.
Изучая процесс теплопроводности, Фурье установил, что количество теплоты, передаваемое теплопроводностью, прямо пропорционально градиенту температур. Математическим выражением закона Фурье являются уравнения:
для плотности теплового потока
q = - λ grad t , (2.4)
для теплового потока Q, передаваемого через площадь F,
Q = - λ grad t · F , (2.4а)
для количества теплоты Qτ, проходящего через площадь F за время τ,
Qτ = - λ grad t · F · τ . (2.4б)
В дальнейшем изложении речь будет идти, в основном, о q – удельном тепловом потоке.
Множитель λ в (2.4) называется коэффициентом теплопроводности и является теплофизической характеристикой материала данного тела.
Знак минус в (2.4) указывает на то, что направления плотности теплового потока и температурного градиента противоположны.