Раздел III теплопередача

Тема 9. Основные положения. Теплопроводность тел при стационарном режиме

9.1. Основные задачи теории теплообмена. Виды переноса тепла

Теплопередачей, или теорией теплообмена, называется наука о закономерностях процессов распространения тепла в телах и процессов обмена теплотой между телами. Практическое значение этой науки чрезвычайно велико, поскольку процессы теплообмена происходят почти повсеместно и являются составной частью множества рабочих процессов машин, двигателей, аппаратов.

Целый ряд важных вопросов конструирования и создания летательных аппаратов и особенно их силовых установок решается на основе теории теплообмена.

В теории теплообмена можно выделить две главные задачи.

Первая задача – определение количества теплоты, которое при заданных условиях проходит из одной части тела в другую или передается от одного тела к другому. Эта задача является главной при расчёте теплообменных аппаратов, при расчёте потерь тепла через изоляцию и т.п.

Вторая задача – определение температуры в различных участках тела участвующего в процессе теплообмена. Эта задача имеет важное значение для расчёта деталей машин и конструкций, так как прочность материалов сильно зависит от температуры, а неравномерное распределение температуры вызывает появление термических напряжений.

В общем случае теплообмен представляет собой сложное явление, которое можно расчленить на ряд простейших видов переноса тепла: теплопроводность, конвекцию и тепловое излучение.

Явление теплопроводности состоит в переносе тепла структурными частицами (микрочастицами) вещества – молекулами, атомами, электронами – в процессе их теплового движения. Такой теплообмен может происходить в любых телах с неоднородным распределением температуры, но механизм переноса теплоты зависит от агрегатного состояния тела.

В газах распространение тепла осуществляется путём обмена энергией молекул и атомов, совершающих поступательные движения, при их столкновениях; в жидкостях и твёрдых телах – неметаллах – в процессе столкновений колеблющихся частиц; в металлах теплопроводность в основном обеспечивается диффузией свободных электронов.

При тепловом излучении энергия распространяется посредством электромагнитных волн. При этом виде теплообмена происходит двойное превращение энергии: внутренняя энергия излучающего тела переходит в лучистую; лучистая энергия, поглощаемая телом, переходит в энергию теплового движения его элементарных частиц.

Два первых вида требуют наличия вещественной среды между телами, обменивающимися теплотой. Третьим способом энергия может передаваться как через промежуточные тела (если они прозрачны для электромагнитного излучения), так и через “пустое” пространство (вакуум).

Процессы теплообмена, встречающиеся в природе и технике, чаще всего представляют собой совокупное действие различных элементарных видов переноса тепла. Например, конвекция сопровождается теплопроводностью. Совместный процесс переноса тепла конвекцией и теплопроводностью называется конвективным теплообменом.

Конвективный теплообмен может сопровождаться лучистым, например, в камерах сгорания двигателей. В тех случаях, когда при совместном действии нескольких элементарных процессов теплообмена интенсивность отдельных из них невелика, ими часто пренебрегают, рассматривая лишь основные.

Таким образом, в большинстве случаев передача теплоты между телами осуществляется не одним способом, а одновременно двумя или тремя способами. Чтобы облегчить изучение теплообмена, каждый из способов рассматривается отдельно.

В теории теплообмена используются первый и второй законы термодинамики. Первый закон как одна из форм закона сохранения энергии лежит в основе уравнений теплового баланса (уравнение теплопередачи). Второй закон термодинамики определяет направление процесса переноса теплоты, что учитывается введением соответствующего знака в расчётных уравнениях и формулах. Однако для описания конкретных физических условий, в которых происходит перенос теплоты; в теории теплообмена используются и другие, более частные физические законы (закон Фурье, закон Ньютона, законы Планка, Кирхгофа и другие).