1. Перенос теплоты теплопроводностью

Перенос тепла может происходить только в том случае, если между телами или в различных точках тела значение температуры неодинаково, т.е. когда имеет место градиент (разность) температуры. Количество теплоты, передаваемое за единицу времени, называется тепловым потоком и обозначается буквой q, единица измерения теплового потока – ватт (Вт) или (Дж/с).

Основной закон теплопроводности установил Фурье. Закон Фурье гласит: тепловой поток q прямо пропорционален коэффициенту теплопроводности тела, градиенту температуры и площади поверхности, через которую проходит тепло,

, (3.1)

где λ – коэффициент теплопроводности, Вт/м·K; – градиент температуры, K/м; S – площадь поверхности, через которую передается тепло, м².

Знак ”минус” означает, что тепловой поток направлен в сторону более низкой температуры.

Значение коэффициента теплопроводности определяет количество теплоты, проходящей через единицу изотермической поверхности в единицу времени, при условии, что температурный градиент равен единице. Коэффициент теплопроводности является физическим параметром веществ и материалов и характеризует их способность проводить тепло. Значения коэффициента теплопроводности зависят от вида вещества, влажности тел и приведены в приложении П. 6. Лучшими проводниками теплоты являются металлы, у которых λ достигает 418 Вт/м·град (серебро). Теплоту в металлах переносят главным образом электроны. Коэффициенты теплопроводности чистых металлов, за исключением алюминия, с возрастанием температуры слабо убывают. Наибольшей теплопроводностью среди металлов кроме серебра обладает также медь. Коэффициенты теплопроводности теплоизоляционных и строительных материалов, имеющих пористую структуру, при повышении температуры возрастают по линейному закону и изменяются в пределах 0,02−3,0 Вт/(м·град).

Большое влияние на коэффициент теплопроводности оказывает влажность вещества. Опыты показывают, что с увеличением влажности материала коэффициент теплопроводности значительно возрастает.

Для установившегося (стационарного) режима теплообмена количество тепла Q, прошедшего через изотермическую поверхность площадью S, составляет

, (3.2)

где τ – время передачи тепла, с; ΔТ – разность температур между внешней и внутренней поверхностями слоя материала; x – толщина слоя материала, через который передается тепло, м.

Для оценки времени прогрева τ внешней поверхности стены при нагреве ее внутренних поверхностей используется формула

, (3.3)

где х − толщина стены; α − температуропроводность материала, определяемая из соотношения

, м²/с. (3.4)

Здесь С_Р – изобарная теплоемкость вещества, Дж/(кг·K); r – плотность массы, кг/м³.

3.2. Конвективный теплоперенос на пожаре

Процессы конвективного теплообмена характерны для некоторых явлений природы (перемещение нагретых и холодных масс воздуха), в технике (отопление, вентиляция, различного рода теплообменники). Их изучение весьма важно для практики пожарного дела. Любой пожар (как внутренний, так и открытый) обязательно сопровождается конвективным переносом теплоты. Конвекция является причиной распространения пожара по пустотам в зданиях, по вентиляционным каналам и воздуховодам за счет передачи тепла от дымовых газов.

На практике для оценки конвективного теплового потока q_к (Вт) пользуются формулой Ньютона

, (3.5)

где α_к – коэффициент теплоотдачи, Вт/(м²K); S – площадь поверхности теплообмена; ΔТ – разность между температурами движущегося потока вещества или среды и теплообменной поверхностью.

В отличие от коэффициента теплопроводности l, a_к не является постоянной величиной, а зависит от геометрии и ориентации поверхности, плотности и вязкости среды, скорости и характера ее движения. Значения a_к, как правило, определяются из экспериментальных данных.

При естественной конвекции коэффициент теплоотдачи находится в пределах 5−50 Вт/(м^{2 .}K), а при вынужденной α_к может достигать 100−250 Вт/(м² K).

Силу Архимеда F, определяющую естественную конвекцию нагретого газа в воздухе, можно оценить по формуле

, (3.6)

где V_возд – объем воздуха, м³; ρ_возд – плотность окружающего воздуха, кг/м³; ρ_газа – плотность нагретого газа, кг/м³.