Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

fizika / 1 / mehanika

.pdf
Скачиваний:
21
Добавлен:
12.05.2015
Размер:
2.15 Mб
Скачать

ниях, не превышающих средней длины свободного пробега <λ>, т.е. молекулы, находящиеся в малых объёмах A и B (рис. 42.1). Предположим, что концентрация молекул в точках, отстоящих слева и справа от площадки S на расстояниях <λ>, равна n. Вследствие малости объёмов A и B, можно считать концентрацию в каждом из них практически одинаковой, т.е. также равной n. Тогда в объёме A

или В будет находиться N

молекул, равное

N = n V = nS<λ>, где

V = S <λ> — величина объёма A. Через площадку S из A в B пролетит N мо-

лекул, которые составляют лишь одну шестую часть от

N , т.е.

 

1

1

 

N =

6

N′ = 6 nS λ .

(42.1)

Очевидно, что в противоположном направлении из объёма B в A пройдёт такое же число молекул.

Пусть температура газа в точках, отстоящих слева и справа от площадки на расстоянии <λ>, соответственно, равна T1 и T2 . При этом считаем T1 > T2. Тогда средняя кинетическая энергия молекул, соответственно, равна:

ε

k1

= i kT ,

(42.2)

ε

k2

= i kT ,

(42.3)

 

2

1

 

 

2

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

где i — число степеней свободы, k — постоянная Больцмана (см. (36.1)). Пренебрегая различием средней кинетической энергии молекул в малом объёме A или B, для энергий Wk1 и Wk2 , переносимых из этих объёмов через площадку S, соответственно получаем:

Wk1 = εk1 N, (42.4) Wk2 = εk2 N, (42.5)

где N находится по формуле (42.1). В результате этого за среднее время свободного пробега, т.е. за время t, в течение которого наблюдается теплопро-

водность, будет

перенесена

энергия

(количество

теплоты)

Q,

равная

Q =

Wk1 Wk2. Используя (42.1) — (42.5), из последнего равенства получа-

ем:

Q = ( ε

k1

ε

k2

)

N = 1 n λ i k(T T )S. Делая преобразование T1 – T2 =

 

 

 

 

 

6

2

1

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= (T2 – T1)= – T, умножая и деля правую часть последнего равенства на массу

молекулы m и на число Авогадро NA, находим, что

 

1

 

i kNA

T S.

Q = −6 nm λ

2 mNA

Но mn = ρ — плотность газа, а

i

 

kNA

=

i

 

R

 

= cV , где cV — удельная теплоём-

 

 

2 μ

 

 

 

 

 

 

 

 

2 mNA

 

 

 

 

 

 

кость газа (см. (40.16)), R — универсальная газовая постоянная, μ — молярная

масса газа. Тогда

Q = −1

ρ λ cV

T S.

Снова разделим и умножим правую

 

 

 

 

 

 

6

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

T

2 λ

 

 

 

часть

этого

равенства

на

2<λ> t.

Q = −

1

ρ λ cV

S

t. Отношение

6

2 λ

t

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

110

 

x

 

 

 

<λ>

<λ>

 

 

S

 

 

 

A

B

x

 

 

 

Рис. 42.1

 

 

<λ>/ t = <υ>

есть средняя скорость теплового

движения молекул. Заменим

2<λ> через

x (см. рис. 42.1). Тогда величина T/

x показывает изменение тем-

пературы на единице длины вдоль оси x, т.е. быстроту изменения температуры.

Она называется

градиентом температуры. С учётом этого

запишем:

Q = −

1

ρ λ cV υ

T

S t. Величину

 

 

 

3

 

x

κ = 1

 

 

 

 

 

 

ρ λ c υ

(42.6)

 

 

 

 

3

V

 

 

 

 

 

 

 

называют коэффициентом теплопроводности. В системе СИ коэффициент теплопроводности измеряется в Вт/(м К). Итак,

 

 

 

 

 

 

 

Q = −κ

T

S t,

 

(42.7)

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

т.е. количество теплоты, переносимое через площадку, пропорционально градиенту температуры, площади площадки и времени наблюдения. В этом

исостоит закон теплопроводности, который справедлив не только для газов, но

идля жидкостей и твёрдых тел. Знак минус в выражении (42.7) отражает тот факт, что направления возрастания температуры и распространения теплоты противоположны, т.е. распространение теплоты происходит в сторону убывания температуры.

Коэффициенты теплопроводности вещества, находящегося в различных агрегатных состояниях, сильно отличаются друг от друга. Это отличие обусловлено разными механизмами теплопроводности.

Вгазе, как указывалось, молекулы вследствие теплового движения переносят энергию из области с более высокой температурой, где средняя кинетическая энергия молекул больше, в область с более низкой температурой, в которой средняя кинетическая энергия молекул меньше.

Вжидкостях молекулы находятся на более близких расстояниях, чем в газах. Это приводит к увеличению сил притяжения между молекулами и к изменению характера их движения. Теперь молекулы колеблются около своих положений

111

равновесия, скачком изменяя их. В результате этих колебаний и происходит перенос энергии от более нагретых областей к менее нагретым.

В твёрдом теле атомы связаны между собой настолько сильно, что могут совершать лишь колебания относительно положений равновесия. Колебание одного атома оказывает влияние на соседние атомы. Поэтому увеличение амплитуды (размаха) колебаний атомов в какой-либо части тела за счёт повышения температуры в этой части передаётся соседним атомам, т.е. в твёрдом теле, как и в жидкости, перенос энергии осуществляется за счёт колебаний атомов.

112

Особое место среди твёрдых тел занимают металлы. В отличие от диэлектриков (твёрдых, жидких, газообразных), они обладают очень хорошей теплопроводностью. Это объясняется следующим образом. В металлах имеются свободные электроны, которые можно рассматривать как своеобразный электронный газ, причём концентрация и скорость этих электронов высоки по сравнению с концентрацией и со скоростями молекул в обычном газе. Это и обусловливает высокую теплопроводность металлов. Следует отметить, что, кроме указанного механизма, перенос энергии осуществляется и за счёт колебаний ионов, находящихся в узлах кристаллической решетки.

Наряду с теплопроводностью, существуют ещё два способа теплообмена — конвекция и тепловое излучение. Конвекция — это перенос теплоты в области, заполненной жидкой, газообразной или сыпучей средой, вследствие перемещения вещества этой среды. Различают естественную (или свободную) и вынужденную конвекцию. Естественная конвекция обусловлена тем, что плотность более нагретых слоёв жидкости или газа меньше плотности менее нагретых. Поэтому при нагревании более горячий слой движется вверх, а на его место опускается менее горячий. Этим и обусловливается прогрев всей жидкости или газа. При вынужденной конвекции перемещение вещества происходит, главным образом, под действием различных устройств (насоса, мешалки и т.д.). С помощью конвекции происходит нагревание или охлаждение жидкостей и газов как в природных условиях, так и в различных технических устройствах и строительных сооружениях. Например, образование ветров в атмосфере, нагревание и охлаждение воды в водоёмах. Типичным примером использования вынужденной конвекции является водяное отопление зданий, когда нагретая в котельной вода с помощью насосов прогоняется по трубам через батареи, которые, в свою очередь, нагревают воздух и вследствие естественной конвекции происходит прогревание всего помещения.

Тепловое излучение — это испускание электромагнитных волн телами вследствие теплового возбуждения атомов или молекул, из которых они состоят. При сравнительно низких температурах излучаются инфракрасные волны, невидимые человеческим глазом. При достаточно высоких температурах, наряду с инфракрасным, появляется видимое излучение. Излучаемые нагретым телом электромагнитные волны, попадая на более холодное тело, поглощаются им, в результате чего оно нагревается. Например, от нагретого рефлектора излучаются электромагнитные волны, под действием которых и происходит нагревание кожи человека, находящегося перед ним. В этом и заключается передача внутренней энергии от более нагретого тела к менее нагретому.

§43. ДИФФУЗИЯ

Диффузией называется процесс взаимного проникновения молекул одного вещества между молекулами другого. Диффузия наблюдается в газах, в жидкостях и даже в твёрдых телах. Рассмотрим смесь двух газов, концентрации которых в разных точках сосуда различны (газы, например, только что смешали). Вследствие

112

теплового движения, начинается процесс выравнивания концентрации. Пусть плотность одного из газов меняется в направлении оси х, причём изменение плотности на расстоянии х равно Δρ. В этом случае говорят, что в газе имеется гради-

ент плотности

ρ

. Используя молекулярно-кинетическую теорию, можно вывес-

 

x

 

ти закон диффузии. Запишем его без вывода.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

M = −D

ρ S t,

 

 

(43.1)

 

 

 

 

 

x

 

 

 

где M — масса вещества,

переносимого через

площадку площадью S; D — ко-

эффициент диффузии;

ρ

— градиент плотности;

t — время диффузии. Та-

 

x

 

 

 

 

 

 

 

ким образом, масса продиффундированного вещества пропорциональна гра-

диенту плотности, площади площадки, через которую происходит диффу-

зия, и времени диффузии. Закон диффузии справедлив как для газов, так и для жидкостей. Знак минус в соотношении (43.1) указывает на то, что диффузия происходит в направлении уменьшения плотности вещества.

Для газов коэффициент диффузии связан со средней длиной свободного пробега <λ> и средней скоростью <υ> теплового движения молекул соотношением

D =

1

λ υ .

(43.2)

 

3

 

 

Необходимо отметить, что при контакте газов диффузия происходит всегда. Жидкости неограниченно диффундируют лишь при их хорошей растворимости друг в друге, например, вода и спирт, керосин и растительные масла и т.д. Если же растворимость двух жидкостей мала, то при слиянии таких жидкостей сначала наблюдается диффузия, а затем она прекращается. В некоторых жидкостях диффузия практически не наблюдается, например, в случае смешения ртути и воды.

Явление диффузии играет большую роль в природе и технике. Корни растений захватывают необходимые для растения вещества из почвенных вод вследствие диффузии. В технике диффузия используется для извлечения различных веществ, например, сахара из сырой свёклы. Диффузией углерода в поверхностный слой железных изделий пользуются с целью получения изделия с твёрдым наружным слоем и вязкой сердцевиной после их закалки.

§44. ВЯЗКОСТЬ

Вязкостью (внутренним трением) называется свойство жидкостей (газов) противодействовать взаимному перемещению её частей. Ранее было показано (см. §23), что при ламинарном, т.е. слоистом, течении между смежными слоями действует сила внутреннего трения, ускоряющая более медленный слой и замедляющая более быстрый. Возникновение этой силы в газах легко объясняется молекулярно-кинетической теорией. Предположим, что слои газа движутся с различными скоростями. При этом каждая молекула одновременно участвует в

113

двух движениях: в упорядоченном со скоростью, равной скорости слоя, и тепловом. Вследствие теплового движения происходит переход молекул из одного слоя в другой. Это приводит к уменьшению импульса более быстро движущегося слоя и к увеличению — более медленного. Согласно второму закону Ньютона, изменение импульса слоёв возможно только под действием сил, приложенных к ним. Таким образом, между слоями возникают силы внутреннего трения, направленные по касательной к поверхности соприкосновения слоёв, которые ускоряют более медленный слой и тормозят более быстрый.

Рассмотрим ламинарное течение газа вдоль оси x, в котором скорость слоёв u изменяется в направлении координатной оси z. Тогда между слоями возникает сила f внутреннего трения, равная

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f = η u S,

 

(44.1)

 

 

 

 

z

 

 

 

 

 

 

 

 

 

где η — коэффициент динамической вязкости, зависящий от природы газа

(жидкости);

u

— градиент скорости, характеризующий быстроту изменения

 

z

 

 

 

 

 

скорости слоёв газа (жидкости); S — площадь соприкасающихся слоёв, т.е. си-

ла внутреннего трения пропорциональна градиенту скорости слоёв жидкости и площади их соприкосновения. Соотношение (44.1) называют законом Ньютона для внутреннего трения.

Для газов коэффициент динамической вязкости рассчитывается по формуле

η=

1

ρ λ υ .

(44.2)

 

3

 

 

Здесь ρ — плотность газа; <λ> — средняя длина свободного пробега; <υ> — средняя скорость теплового движения молекул.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Для характеристики теплового движения молекул вводится средняя длина

свободногопробега <λ>. Она находится поформуле: λ =

1

, гдеd — эффек-

2πd 2n

тивный диаметр молекулы, равный расстоянию, на которое сближаются молекулы при столкновении, n — концентрация молекул. Средняя длина свободного пробега молекулгазавозрастаетспонижениемдавленияисповышениемтемпературы.

2. Диффузией называют процесс взаимного проникновения молекул (атомов) одного тела между молекулами (атомами) другого. Закон диффузии, справед-

ливый для газов и жидкостей, записывается в виде

M = −D

ρ S t. Здесь M

 

 

 

x

— масса вещества, продиффундированного через площадку S за промежуток

времени t;

ρ — градиент плотности в направлении оси x, перпендикулярной

 

x

 

 

 

114

 

 

к площадке, вдоль которой происходит диффузия; D — коэффициент диффузии. Знак минус указывает на то, что диффузия протекает в направлении уменьшения плотности вещества.

3. Теплопроводностью называется процесс распространения теплоты от более нагретых элементов тела к менее нагретым. Этот процесс связан с движением атомов или молекул в теле и приводит к выравниванию температур. Закон тепло-

проводности имеет вид:

Q = −κ

T

S

t , где Q — количество теплоты (т.е. ве-

 

 

 

 

x

 

личина энергии, переносимой при теплообмене), проходящее через площадку S за

промежуток времени t;

T

— градиент температуры в направлении оси x, пер-

 

 

x

 

 

 

пендикулярной к площадке S, вдоль которой и происходит перенос теплоты; κ — коэффициент теплопроводности, зависящий от природы вещества. Знак минус отражает тот факт, что распространение энергии идёт в сторону убывания температуры. Закон теплопроводностисправедливдлягазов, жидкостейитвёрдыхтел.

4. Вязкостью (внутренним трением) называют свойство жидкостей (газов) препятствовать взаимному перемещению её частей. Для ламинарного, т.е. слои-

стого, течения установлен закон внутреннего трения: f = η

u

S, где f — сила

 

z

 

внутреннего трения, возникающая между слоями жидкости (газа), движущихся

с различными скоростями; S — площадь соприкосновения слоев;

u

— гради-

 

z

 

ент скорости слоёв жидкости (газа). Под действием этой силы происходит торможение более быстрого слоя и ускорение более медленного.

5. Законы диффузии, теплопроводности и внутреннего трения являются опытными законами. Однако для газов, используя молекулярно-кинетическую теорию, эти законы выводятся теоретически. При этом для коэффициентов диффузии, теплопроводности и внутреннего трения, соответственно, получаются соотношения: D = 13 λ υ , κ = 13 ρ λ cV υ , η= 13 ρ λ υ , где <υ> и <λ> —

средняя скорость и средняя длина свободного пробега молекул; ρ и cV — плотность и удельная изохорная теплоёмкость газа.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.Что называется средним временем и средней длиной свободного пробега молекул?

2.С чем связаны явления переноса?

3.Что называют диффузией, теплопроводностью и внутренним трением? Каковы законы этих процессов?

4.Исходя из молекулярно-кинетических представлений, выведите закон теплопроводности газов.

115

ГЛАВА 10. ТЕПЛООБМЕН ЧЕРЕЗ СТРОИТЕЛЬНЫЕ ОГРАЖДЕНИЯ

В данной главе будут показаны простейшие приёмы расчёта теплопередачи (теплообмена) некоторых строительных ограждений, например, сборных панелей, изготовленных из различных строительных материалов.

§45. ТЕПЛООБМЕН

Процесс передачи теплоты от одного тела к другому или между частями одного и того же тела называется теплопередачей или теплообменом. Как указывалось ранее, существуют три способа теплопередачи: теплопроводность, конвекция и тепловое излучение.

1. Теплопроводность. Процесс теплопроводности обусловлен непосредственной передачей кинетической энергии молекулярного движения от одних атомов к соседним атомам. Количественно теплопроводность описывается уравнением (42.7):

Q = −κ

T

S t,

(45.1)

x

 

 

T

 

где Q — количество теплоты, прошедшей через площадку S за время t;

x

 

 

 

 

градиент температуры и κ — коэффициент теплопроводности. Коэффициенты теплопроводности для ряда материалов приведены в табл. 45.1. Как видно из этой таблицы, хорошими проводниками теплоты являются металлы, тогда как кирпич и дерево плохо проводят тепло. Этим в значительной степени определяется тот факт, что дома строят из дерева и кирпича и других, плохо проводящих материалов, иначе в зимних условиях тепло в них сохранить было бы невозможно. Коэффициенты теплопроводности строительных материалов зависят от многих факторов — от химического состава, структуры материала, влажностного состояния и, что особенно важно, от пористости. Пористые материалы (кирпич, бетон и др.) содержат большое количество маленьких пузырьков воздуха, а воздух — плохой проводник тепла. Поэтому пористые материалы обладают достаточно хорошими теплоизоляционными свойствами и это одна из причин их широкого применения в строительстве. Увеличение количества мелких замкнутых пор всегда значительно понижает теплопроводность. В крупных, а особенно в сообщающихся между собой порах, возникают конвекционные потоки воздуха, понижающие теплоизолирующий эффект пор. Поэтому теплопроводность таких материалов возрастает. Показано, что с уменьшением плотности материалов, например, бетонов, количество крупных пор уменьшается и теплопроводность снижается.

Рассмотрим однородную панельную плиту толщиною l, на противоположных гранях которой поддерживается постоянная разность температур T1 – T2 , причём T1 > T2. Тогда градиент температуры вдоль направления x, перпендикуляр-

116

где qT′ =

ного к граням, будет равен T / x = (T2 – T1) / l. Согласно закону теплопроводности (45.1), через площадку S за единицу времени протекает количество тепло-

ты qT , равное

T1

T2

 

 

 

 

qT = k

 

 

S,

(45.2)

 

l

 

 

 

 

Qt называется тепловым потоком через площадь стенки S. При ис-

пользовании этой формулы следует иметь в виду, что она справедлива лишь в случае, когда теплота распространяется только в одном направлении (вдоль оси x) и никаких других оттоков тепла нет. Это условие хорошо выполняется при рассмотрениипереноса теплотычерезстены(ограждения) строительныхконструкций.

Преобразуем формулу (45.2) к виду:

 

 

 

 

 

 

 

 

T1

T2

 

 

T1

T2

 

 

qT =

 

 

 

 

 

=

 

 

 

,

(45.3)

1

 

l

 

 

 

RT

 

 

k

S

 

 

 

l

 

 

 

где

R

 

= 1

 

 

 

(45.4)

 

 

 

 

 

 

 

T

 

k

 

S

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

называют термическим сопротивлением по аналогии с формулой, опреде-

ляющей электрическое сопротивление: Rэ = ρSl = 1γ Sl . Здесь ρ и γ — удельное

сопротивление и удельная электропроводность проводника. Из соотношения (45.3) следует, что с увеличением термического сопротивления уменьшается Таблица 45.1 теплообмен, связанный с теплопроводностью. Отметим, что аналогию можно ус-

 

Коэффициент

мотреть и в написании формул, опреде-

Вещество

теплопроводности,

ляющих тепловой поток и силу I электри-

 

Вт/(К·м)

ческого

тока (поток зарядов) по закону

Медь

293 — 398

 

T1 T2

 

 

ϕ1 − ϕ2

 

 

 

 

 

 

 

Железо

58,5 — 71

Ома: qT =

 

 

, I =

 

, где ϕ1 − ϕ2

RT

 

Rэ

Кирпич

0,4

 

 

 

 

 

 

 

— разность электрических потенциалов на

Дерево

0,2

концах проводника, Rэ — электрическое

Асбест

0,12 — 0,24

 

 

сопротивление

проводника.

Приведённая

Вода

0,6

 

 

аналогия между потоком теплоты и электри-

Воздух

0,024

 

 

 

 

 

 

 

ческим током распространяется и на поведение теплового и электрического сопротивления. Если, например, рассматривается поток тепла через многослойную панельную плиту, что имеет место в действительности, то её термическое сопротивление равно сумме термических сопротивлений RTi её слоев, как и при последовательном соединении проводников, т.е.

RT = RTi ,

(45.5)

i

117

где RTi рассчитывается по формуле (45.4) с подстановкой соответствующих толщины и коэффициента теплопроводности слоёв, причём, площади сечения слоёв, перпендикулярныенаправлениюраспространениятеплоты, одинаковы.

2. Конвекция. Явление теплопередачи посредством потоков газа или жидкости называется конвекцией. Распространение теплоты конвекцией происходит, например, в отапливаемых помещениях, в конструкциях с воздушными прослойками, в которых возникают потоки воздуха вследствие неравномерного нагрева отдельных участков и поверхностей. C помощью вынужденной конвекции теплота доставляетсяоткотельныхвжилыепомещения.

Рассмотрим конвективный обмен поверхности с окружающим воздухом, возникающий в том случае, когда температуры поверхности и воздуха различны. Количество теплоты qk, переносимое через площадку S поверхности за

единицу времени, как и в случае теплопроводности, пропорционально разности температур Tв – Tповокружающего воздуха и площади поверхности, т.е.

qk= αк(Tв – Tпов)S,

(45.6)

где αк — коэффициент конвекции.

Особенности конвективной теплопередачи связаны с размерами и расположением поверхностей ограждающих конструкций. На внутренней поверхности, как правило, происходит естественная (свободная) конвекция, вызванная разностью температур воздуха и конструкции, а для наружной поверхности характерна вынужденная конвекция при обдувании ветром. Поэтому формулы для

нахождения αк различны для внутренней и внешней поверхности ограждений. Показано, что для внутренней поверхности конструкции

 

 

= B(T

T

1

 

(45.7)

α

k

)3

,

 

в

noв

 

 

 

где для стен, потолка и пола B, соответственно, равно 1,66; 2,11 и 1,16 Вт/(м2 К) при Т = 20 °С. Для наружной поверхности стены

αk = 7,32υ0,656 +3,77e1,91υ ,

(45.8)

где υ скорость ветра, e основание натуральных логарифмов (е 2,718). Значения αк, вычисленные по формуле (45.8), приведены в табл. 45.2.

Таблица 45.2

υ, м/с

1

2

3

4

5

6

8

αк ,

Вт

 

7,88

12,4

15,1

18,2

21,0

23,7

28,7

м2 K

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Тепловое излучение. Излучение электромагнитных волн телами при их нагревании называют тепловым излучением. При сравнительно низких температурах испускаются инфракрасные волны, невидимые человеческим глазом. Например, эти волны излучаются всеми поверхностями помещения и наружными поверхностями зданий. При достаточно высоких температурах, наряду с

118

Соседние файлы в папке 1