133 Механизмы переноса теплоты
Механизмы переноса теплоты. Различают три разных механизма распространения теплоты:теплопроводность, конвективный и лучистый перенос.
Теплопроводность-перенос энергии от более нагретых участков тела к менее нагретым в результате теплового движения и взаимод. микрочастиц (атомов, молекул, ионов и др.). В чистом виде теплопроводностьможет встречаться в твердых телах, не имеющих внутр. пор и в неподвижных слоях жидкостей, газов илипаров. Кол-во переносимой теплопроводностью энергии, определяемое как плотн. теплового потока qт[Вт/(м2· К) ], пропорционально градиенту т-ры (закон Фурье):
qт= -grad T,
где -коэф. теплопроводности в-ва, характеризующий его способность проводить теплоту, Вт/(м·К); знак минус указывает направление переноса теплоты в сторону снижения т-ры.
Закон Фурье получен в рамках модели идеального газа, при этом для газов и паров пропорционален длине своб. пробега молекул и средней скорости их теплового движения. Для жидкостей и твердых тел указанный закон является феноменологическим, а значения находятся экспериментально. Наим. имеют газы и пары[0,01-0,15 Вт/(м·К)], наиб, -металлы (10-500); теплоизоляц. материалы и жидкости-0,03-3. С повышением т-ры теплопроводность жидкостей, за исключением воды, уменьшается, а для всех др. тел увеличивается.
Конвективный перенос теплоты-перенос физ. теплоты перемещающихся нагретых жидкостей, газов, паров или их смесей, а также дисперсных сыпучих материалов. В наиб. распространенном случае, когда существен лишь перенос внутр. энергии, а переносом мех. и потенциальных видов энергии можно пренебречь, плотность теплового потока за счет конвективного переноса составляет:
qт= wCT,
где w- вектор скорости текучей среды; , С, Т-плотность, теплоемкость и т-ра среды.
В большинстве случаев значения w, , С и Т потоков теплоносителей таковы, что в направлении движения конвективный перенос преобладает над теплопроводностью. Однако при малых скоростях течения высокотеплопроводных жидкостей (расплавов металлов) может наблюдаться обратное соотношение. По мере приближения к твердой пов-сти, где скорость вязких жидкостей стремится к нулю, qт и qк также становятся сравнимы по величинам. При ламинарном режиме течения в направлении, поперечном движению, конвективный перенос отсутствует. Турбулентному режиму течения свойствен специфич. вид переноса теплоты, физически отвечающий конвективному, а по форме записи -теплопроводности:
qтб = -тбgrad T,
где тб-коэф. турбулентной теплопроводности потока, пропорциональный средним значениям длины своб. пробега и скорости пульсац. перемещения турбулентно-пульсирующих объемчиков среды. При развитой турбулентности обычно тб
и
соотв. qтб
qт;
исключение составляют зоны потока,
прилегающие к твердой пов-сти, где
турбулентность затухает и интенсивность
турбулентного переноса уменьшается.
В отличие от величина тб не
является теплофиз. св-вом в-ва, а зависит
от характера турбулентности.Лучистый перенос теплоты (радиационный теплообмен, теплообмен излучением)-совокупные процессы излучения электромагн. волн пов-стями твердых или жидких тел, либо объемами газов и паров, распространения этого излучения в пространство между телами и его поглощения пов-стями или объемами др. тел. Практически для лучистого теплообмена наиб. важен инфракрасный диапазон спектра (длины волн 0,8-40 мкм).
Интенсивность I монохроматич. лучистого потока в среде, способной излучать и частично поглощать электромагн. колебания, для единицы телесного (пространственного) угла имеет вид:
где I0-интенсивность лучистого потока, входящего в рассматриваемый объем по направлению l; В-собственное уд. излучение среды; k и x-уд. коэффициенты ослабления и собств. излучения в-ва, отнесенные к единице расстояния в направлении l; s- расстояние от места входа лучистого потока до рассматриваемой произвольной точки. Первое слагаемое для I учитывает поглощение входящего внеш. излучения I0, а второе-поглощение собств. излучения среды. Полное значение плотности лучистого потока, поступающего в данную точку пространства по всем направлениям и по всему диапазону частот, определяется интегрированием выражения для I по пространств. углу в пределах 0-4 и по частотам от 0 до , с учетом зависимостей коэффициентов k и к от частоты излучения (здесь и далее, напр., для координаты х):
и т.д. Общий вектор лучистого потока q определяется суммой его проекций на координатные оси.
В отличие от локальных законов переноса теплоты теплопроводностью и конвекцией закон лучистого переноса имеет интегральный характер. Кроме того, теплообмен излучением может происходить без наличия в-ва среды ( в вакууме).