Механизмы переноса тепла. Основные виды теплообмена. Теплопроводность. Температурное поле. Гипотеза Фурье.

Теплопередача, или теплообмен -это учение о самопроизвольных необратимых процессах распределения (переноса) теплоты в пространстве с неоднородным полем температуры.

Различают молекулярный и конвективный механизмы переноса теплоты.

Молекулярный перенос теплоты осуществляется посред­ством теплового движения микрочастиц в среде с неоднородным распределением температуры.

Конвективный перенос теплоты осуществляется в среде с неоднородным распределением скорости и температуры макроско­пическими элементами среды при их перемещении.

Теплопроводностью называют молекулярный перенос теплоты в сплошной среде, обусловленный наличием градиента температуры [уравнение (18.3)].

Конвективным теплообменом называют процесс, обус­ловленный совместным действием конвективного и молекулярного переноса теплоты. В инженерной практике большое значение имеет частный случай этого способа переноса теплоты, а именно: теплоотдача—конвективный теплообмен между движущейся средой и поверхностью ее раздела с другой средой: твердым телом, жидкостью или газом.

Теплообмен излучением - это процесс, который проис­ходит следующим образом: внутренняя энергия вещества превра­щается в энергию излучения (энергия фотонов или электромаг­нитных волн, излучаемых телом или средой), далее происходит распространение излучения в пространстве (процесс переноса из­лучения), далее энергия излучения поглощается веществом, кото­рое оказалось на пути фотонов или электромагнитных волн.

Процесс переноса теплоты (различными способами) от горячей жидкости к холодной через разделяющую их твердую стенку на­зывают теплопередачей.

Аналитическое исследование теплопроводности сводится к изучению пространственно-временного изменения температуры, т, е. к нахождению уравнения

(1.1)

Уравнение (1.1) представляет математическое описание температурного поля. Температурное поле есть совокупность .значений тем­пературы во всех точках изучаемого пространства для каждого момента времени.

Различают стационарное и нестационарное температурные поля. Такое поле отвечает неустановившемуся тепловому режиму теплопроводности

и носит название нестационарного температурного поля. Если тепловой режим является установившимся, то температура в каж­дой точке поля стечением времени остается неизменной и такое температур­ное поле называется стационарным.

(1.2)

Температурное поле, соответствующее уравнениям (1.1) и (1.2), является пространственным, так как температура - функция трех координат. Если температура есть функция двух координат, то поле называется двухмерным

одномерным:

Наиболее простой вид одномерного стационарного тем­пературного поля:

Количество теплоты, передаваемое через плоскую стенку, прямо пропорционально разности температур горячей Т_ω1 и холодной Т_ω2 сторон стенки, площади стенки А и времени т. и обратно пропор­ционально толщине δ стенки (рис)

(18.1)

где λ-теплопроводность вещества Вт/(м*К)

Представим (18.1) в виде

(18.2)

где q— поверхностная плотность теплового потока, Вт/м²; λ/δ— тепловая проводимость (δ/λ—термическое сопротивление).

Фурье выдвинул гипотезу, согласно ко­торой плотность теплового потока прямо про-

порциональна градиенту температуры *, т. е.

(18.3) или

где n—нормаль к изотермической поверхности; λ—теплопровод­ность, зависит от температуры в данной точке, но не зависит от градиента температуры.