10. Способы распространения теплоты. Теплопроводность, количества тепла, поток тепла, плотность теплового потока.

Теплообменом называется перенос тепла от одних тел к другим или одних частей тела к другим, вызываемый разностью температур. Процесс теплообмена – это сложный процесс, он связан с конвективной и молекулярной диффузией и определяется законами аэродинамики, газодинамики, термодинамики, передачи энергии в форме теплоты, передачи лучистой энергии и превращением ее в теплоту и наоборот.

Теплообмен характеризуется выравниванием температуры и осуществляется тремя способами: теплопроводностью, конвекцией, излучением.

Теплопроводность – это передача тепла молекулярной диффузией, т.е. перенос тепловой энергии осуществляется от частиц обладающих большей энергией к частицам с меньшей энергией. Теплопроводность наблюдается только в твердых телах и неподвижных слоях жидкости или газа.

Конвекция – передача тепла потоками жидкости или газа из одной области пространства в другую. Конвекция бывает свободной и вынужденной.

Свободная конвенция возникает из-за разности плотностей нагретой и холодной среды. Привынужденной конвенции движущиеся потоки создаются принудительно – компрессором, вентилятором и т.д.

Конвекция сопровождается переносом тепла теплопроводностью в пограничных слоях. Совместный процесс конвекции и теплопроводности называется конвективным теплообменом.

Излучение – это передача тепловой энергии путем электромагнитных колебаний. Процесс передачи тепла излучением можно условно разделить на 3 этапа:

1. Преобразование внутренней энергии системы в энергию электромагнитных волн;

2. Распространение этих волн в среде, разделяющей источник и приемник.

3.Реакция приемника на излучение.

В реальных условиях названные способы переноса тепла протекают одновременно: такое физическое явление называется сложным теплообменом. Его закономерности могут быть установлены на основе закономерностей простых видов теплообмена.

Тепловой поток – это количество тепловой энергии, которая передается через произвольную поверхность в единицу времени:

 ,   (2.1)

Удельный тепловой поток – это количество тепловой энергии, которая передается через 1м² поверхности за единицу времени:

 ,   (2.2)

где F – площадь поверхности, м²; Ф – тепловой поток, Вт

.2.2 Теплопроводность

Если выделить в теле слой толщиной dх, то через площадку dF, нормальную к направлению теплового потока, за время   пройдет количество теплоты, равное

 , (2.3)

где   – коэффициент теплопроводности, Вт/м·К   ;

 – разность температур в слое, К;

 – толщина слоя, м;

 – время, с;

dF - площадь, м².

Дифференциальная зависимость (2.3) называется основным уравнением теплопроводности или уравнением Фурье

Рис. 2.1 Схема переноса тепла через плоскую однородную

стенку.

Величина   показывает изменение температуры в слое   и называется градиентом температур. Распространение тепла в теле происходит лишь в сторону понижения температуры, поэтому величина   отрицательна, на что показывает знак минус в уравнении Фурье.

 

11. Закон Фурье, коэффициент теплопроводности.