Основные законы переноса теплоты
Перенос теплоты теплопроводностью (имеющий место в чистом виде только в твердых телах с малым коэффициентом термического расширения) выражается эмпирическим законом Био-Фурье:
|
|
(1) |
.Вектор плотности теплового потока пропорционален градиенту температуры; знак «минус» указывает, что направление теплового потока противоположно направлению градиента температуры.
Коэффициент
пропорциональности
в уравнении (1) характеризует способность
тел проводить теплоту и называется
коэффициентом теплопроводности.
Количественно
[Вт/м·К]- тепловой поток, проходящий
через единицу поверхности при единичном
градиенте температур. Коэффициент
теплопроводности – физическая
характеристика, зависящая от химического
состава и физического строения вещества,
его температуры, влажности и других
факторов. Коэффициент
имеет максимальные значения для чистых
металлов и минимальные для газов.
Значения теплопроводности некоторых
веществ приведены в таблице 1 приложения.
Конвективный
теплообмен. В жидкостях и газах на
процесс теплопроводности накладывается
конвективный перенос, обусловленный
движением конечных объемов среды.
Неоднородное температурное поле приводит
к возникновению неоднородного поля
плотностей: в областях с более высокой
температурой плотность среды вследствие
теплового расширения уменьшается, и
наоборот. Возникает неоднородное поле
гравитационных сил. Различие плотностей,
связанное с перепадом температур
,
выражается через коэффициент
объёмного
расширения:
|
|
(2) |
.Подъемная архимедова сила единицы объёма равна
|
|
(3) |
.Перенос теплоты при движении среды за счет архимедовой силы называют свободной или естественной конвекцией. Если движение среды вызвано действием внешних сил, приложенных на границах системы, или за счет кинетической энергии, сообщенной жидкости вне системы, то процесс переноса теплоты называют вынужденной конвекцией. Интенсивность переноса теплоты в режиме вынужденной конвекции существенно выше, чем свободной.
Перенос теплоты
за счет движения среды. В движущейся с
линейной скоростью
среде в уравнении (1) появляется
дополнительный член:
|
|
(4) |
.
Здесь индекс «f»
относится к среде,
,
и
- теплоемкость, теплопроводность и
плотность при
.
При
,
уравнение (4) принимает вид
,
или
|
|
(5) |
.
Здесь
- коэффициент конвективной теплоотдачи.
Уравнение (5) – закон
Ньютона
для теплоотдачи.
Тепловое
излучение.
Носителем теплового излучения являются
электромагнитные волны в диапазоне
(видимый свет и инфракрасный диапазон).
Лучистый поток определяется внешними
источниками, при этом среда может и не
принимать участия в переносе теплоты.
Скорость распространения электромагнитных
волн равна
,
в непоглощающей среде с показателем
преломления
их скорость равна
.