11) Виды теплообмена, основные законы (Фурье, Ньютона, Стефана-Больцмана).

Теплопроводность или кондукция (conduction – проводник) определяется тепловым движением микрочастиц тела (молекул, атомов, ионов, электронов и т.д.). Пример с нагревом стержня или спицы с одной стороны. За счет чего нагревается холодный конец стержня? Здесь происходит обмен энергией путёмстолкновений. В металлах за счет движения свободных электронов и ионов решетки. В твердых диэлектриках и жидкостях – за счет упругих звуковых волн, т.е. движения фононов. В газах – за счет диффузии молекул.

Фурье выдвинул гипотезу, что тепловой поток теплопроводностью пропорционален температурному градиенту, т.е. что Q~∆T/∆Х.

Конвекция – это процесс передачи тепла из одной части пространства в другую перемещающимися макроскопическими объёмами жидкости или газа. Название произошло от английского "convection", что означает перемешивание. В зависимости от причины, вызывающей движение различают:

Свободная (естественная) конвекция происходит за счёт разности плотностей Dr неравномерно нагретой среды, обусловленной согласно определению 2 разностью температур Dt. (Примеры свободной конвекции – отопление, помещения, песок на летнем пляже (можно видеть марево – движение воздуха от нагретого песка), пламя свечи (возле приоткрытой двери вверху и внизу ведет себя по-разному), жидкий металл внутри кокилей стале- и чугуноразливочных ковшей.

Вынужденная конвекция – когда движение среды осуществляется принудительно нагнетателями (насосами, вентиляторами и т.д.). Вынужденная конвекция, как правило, гораздо интенсивней чем свободная. Примеры: течение воды внутри батарей центрального отопления; эксгаустеры в аглоцехах, дымососы, вентиляторы и т.д.

Конвективный теплообмен между жидкостью или газом и поверхностью твёрдого тела называют конвективной теплоотдачей или просто теплоотдачей. : Тепловой поток при конвекции определяется законом Ньютона-Рихмана, основным законом теплоотдачи или Q= a(T_ж-T_ст.)×F, Вт,

где a - коэффициент теплоотдачи, Вт/м²К; F – поверхность теплообмена, м²; T_ж и T_ст - температура жидкости и поверхности стенки, ^оС.

Излучение или лучистый теплообмен – это процесс преобразования тепла в лучистую электромагнитную форму энергии и передачи её в окружающее пространство.

Или по-другому: "Любое тело, имеющее абсолютную температуру выше 0^оК способно и вынуждено превращать часть своей внутренней энергии в тепловые лучи, которые попадая на окружающие предметы частично поглощаются, частично отражаются и частично проходят сквозь тело. Примеры: теплообмен между солнцем и Землей, лампы накаливания, сильно разогретые тела.

Тепловой поток при излучении определяется законом Стефана Больцмана Q=s(T⁴ _пов-T⁴_ос)×F, Вт, где Т_п и Т_о.с. – температура поверхности и окружающей среды, ^оК; s - коэффициент излучения, Вт/м²к⁴. В реальных условиях присутствуют все три механизма передачи, но вклад каждого в каждом конкретном случае может быть разным. Пример: охлаждение слитка или отливки на воздухе осуществляется так называемым сложным теплообменом

Q_S=Q_Т+Q_К+Q_Л ,

где Q_Т, Q_К, Q_Л – тепловые потоки теплопроводностью, конвекцией и излучением. При высоких температурах преобладает излучение, тогда Q_S» Q_Л.