1. Основные понятия теплопередачи и термоупругости. Стационарная теплопроводность

Что такое теплопередача?

Определение 1. Теплопередачей или теорией теплообмена называют науку, изучающую законы распространения теплоты.

Теплотехника равна сумме двух наук = Термодинамика + Теплопередача. Есть еще теория тепломассообмена (ТМО) – наука, изучающая законы

переноса теплоты и массы.

Актуальность проблемы: так как согласно II закону термодинамики

любая форма энергии с необычайной лёгкостью переходит в тепловую, то можно сказать, что «теплообмен присутствует везде».

1. В естественных, природных явлениях:

а) Теплообмен между солнцем и землёй; б) костры древних"Огонь Прометея"; в) круговорот воды в природе: солнце, нагрев воды в океанах, морях, реках, испарение– водяной пар в атмосфере, конденсация, выпадения дождя и снега и т.д.

2. В технике: в любой отрасли промышленности:

а) металлургия чёрная и цветная, литейное производство; доменные и мартеновские печи, конвертор, нагревательные печи и устройства; есть даже целая наука – металлургическая теплотехника, которая занимается изучением процессов ТМО применительно к производству металлов.

б) теплоэнергетика, ядерная и термоядерная энергетика, МГД-генераторы и т.д.

в) строительная теплофизика, транспорт, и т.д.

Неучет тепловых явлений может приводить к неприятным последствиям, особенно когда создаются новые конструкции. Например, а) были проблемы с охлаждением бетатрона – ускорителя электронов; б) система охлаждения футеровки медеплавильной печи.

Сначала футеровка плавильной печи была сильно завышена, но тем не менее быстро выгорала. После организации интенсивного охлаждения за счет встроенных в футеровку водяных холодильников компания печи была увеличена от 3 суток до 3 лет. Таким образом, актуальность и значимость изучения ТМО доказана.

Немного истории: сначала нужно было познать что есть теплота?

Основные периоды становления теплопередачи как науки:

1. наивная формулировка (понятие) древних: теплота это когда не холодно.

2. с 1620 г. более 200-х сот лет продержалась теория теплорода- гипотеза Галилея о всепроникающей невесомой жидкости – (флогистона или эфира), которая в процессе теплообмена перетекала от горячих тел к более холодным.

3. 1744 г. Правильные, т.е. близкие к современным понятиям основы учения о теплоте были заложены в 1744 Ломоносовым М.В. в его работе "Размышления о причине теплоты и холода". Он установил, что физическая сущность теплоты это процесс распространения тепла за счет передачи движения от одних микрочастиц тела к другим.

4. в 1822 г. Французский ученый Жан Батист Жозеф Фурье опубликовал работу "Аналитическая теория тепла для твёрдых тел". В почти таком же виде мы и используем её сейчас. Он не только получил дифференциальное уравнение переноса теплоты, но и предложил методы его решения – метод разделения переменных Фурье.

5. Бурное развитие теории теплопередачи – XX век. «Социальные заказы» – транспорт, энергетика, металлургия, промышленность, ядерная энергетика, космическая техника и т.д. по настоящее время.

Понятие о тепловом потоке. В термодинамике важнейшей величиной является количество переданной (полученной) теплоты Q, Дж. В теплопередаче важнее знать динамику изменения теплоты в единицу времени, которая была названа тепловым потоком Q = Q/, Дж/с=Вт. Далее вводится плотность теплового потока или удельный тепловой поток (нагрузка) q= Q/F, Вт/м² – это количество теплоты, переданной в единицу времени с 1 м² поверхности тела.

Напомним одну из формулировок II начала термодинамики: «Теплота самопроизвольно распространяется от тел с большей температурой к телам с меньшей температурой», (аналогия с поведением воды, водопад, плотина, ГЭС, и т.д.).

Определение 2. Необходимым и достаточным условием возникновения процесса теплообмена или передачи теплоты является наличие разности температур между телами (системами). При этом, разность t представляет собой движущую силу процесса теплообмена, т.е. чем больше t, тем интенсивнее протекает процесс. (встречаются исключения из этого правила: парадокс прыгающей капли).