1. Предмет теории теплообмена. Основные этапы развития учения о теплообмене

Теплообмен – самопроизвольный необратимый процесс переноса теплоты в пространстве с неоднородным полем температур. Теплообмен возникает, когда есть перепад температур, от большей к меньшей. Свойства тел зависят от температуры, т.е. от их теплового состояния. Условия теплообмена влияют на процессы изменения агрегатного состояния вещества, на течение химических реакций(горение), механические, электроизоляционные, магнитные и другие свойства тел. Предмет теории теплообмена – процессы переноса тепла из одного участка пространства к другому. Различают теплообмен соприкосновения тел и лучистый теплообмен (в космосе), когда энергия передается от одного тела к другому посредством электромагнитного поля.

Процесс распространения тепла только вследствие движения структурных частиц называют теплопроводностью, а процесс теплопередачи вследствие перемещения молярных объемов среды – конвекция.

2. Основные виды теплообмена

Теплообмен является весьма сложным процессом. Однако ради простоты изучения различают три элементарных способа переноса теплоты:

1) Теплопроводность;

2) Конвекция;

3) Тепловое излучение.

Теплопроводность определяется взаимодействием микрочастиц, составляющих тело (молекул, атомов, ионов, электронов и др.). Обмен энергией между частицами происходит как при их непосредственном соударении, так и при их межчастичном взаимодействии (взаимное притяжение или отталкивание). В газах перенос энергии происходит путём диффузии молекул и атомов, в жидкостях и твёрдых диэлектриках – путём электромагнитных волн. В металлах перенос энергии осуществляется колеблющимися ионами решётки и диффузией свободных электронов.

Под конвекцией понимают процесс передачи теплоты из одной части пространства в другую перемещающимися макроскопическими конечными объёмами жидкости или газа. В теории теплообмена и гидрогазодинамики под жидкостью понимают любую подвижную среду (любую жидкость и любой газ). В зависимости от причины, вызывающей движение жидкости конвекция может быть свободной или вынужденной. Естественное или свободное движение жидкости, а, следовательно, и конвекции тепла вызываются разностью плотности неравномерно нагретой жидкости. Вынужденное движение жидкости осуществляется с помощью различных нагнетателей (насосы, вентиляторы, компрессоры и т.п.).

Из определения конвекции следует, что количество передаваемой конвекцией в единицу времени теплоты прямо связано со скоростью движения среды. Тепло передаётся, главным образом, в результате движения макрообъёмов жидкости, но отчасти тепло распространяется и в результате обмена энергией между частицами, т.е. теплопроводностью и, следовательно, теплопроводность является неотъемлемой частью конвекции. Совместный процесс переноса теплоты, как за счёт конвекции, так и за счёт теплопроводности называют конвективным теплообменом.

Тепловое излучение представляет собой процесс превращения тепла в лучистую энергию и передачи её в окружающее пространство. Тепловое излучение представляет собой сложный процесс превращения внутренней энергии тела (среды) в энергию излучения. Процесс превращения внутренней энергии вещества в энергию излучения, переноса излучения и его поглощения веществом называется лучистым теплообменом.

При нагревании тел часть теплоты в результате атомных возмущений неизбежно преобразуется в лучистую энергию. Носителями лучистой энергии являются электромагнитные волны или в другом представлении фотоны (кванты электромагнитного излучения). Электромагнитные волны могут распространяться не только в упругой среде, но и даже в вакууме.