Внешняя теплопередача

Внешней теплопередачей называется теплопередача между двумя различными телами, не находящимися в тепловом равновесии друг с другом. Приведем примеры:

1. Процесс охлаждения нагретого металлического тела потоком воды или воздуха.

2. Процесс теплопередачи между отапливаемым домом и окружающим воздухом.

Идеализируя ситуацию, можно считать, что в каждый момент времени тело имеет одну и ту же температуру . Аналогично и окружающая среда может характеризоваться в каждый момент времени одной и той же температуройиз-за происходящих в ней процессов перемешивания. В результате возникает тепловой поток через границу тел, обусловленный скачком температуры на этой границе. Нормальная составляющая этого потоказависит от материала обеих сред, а также от их температур. При небольшой разности температур тела и среды выполняется закон Ньютона, который заключается в том, что плотность потока пропорциональна разности температур на границе тела с окружающей средой

где - коэффициент теплопередачи, нормальпроведена от тела к среде. Опыты показали, что формула Ньютона (16.14) выполняется приближенно. Коэффициент теплопередачи является эмпирическим параметром и не представляет столь важную характеристику как теплопроводность среды.

Контрольные вопросы

1. Какие процессы называются процессами переноса? Приведите примеры.

2. Почему переход системы к равновесию может характеризоваться несколькими, отличающимися друг от друга временами релаксации?

3. Что называется временем термализации?

4. Почему время релаксации зависит от размеров системы?

5. В чем суть представления о локальном равновесии?

6. Какое уравнение является основой молекулярно-кинетической теории явлений переноса?

7. Какая связь существует между процессами переноса и принципом Ле Шателье-Брауна?

8. Запишите стационарные одномерные уравнения теплопроводности, самодиффузии и внутреннего трения. Какова область их применимости?

9. Какова размерность коэффициентов теплопроводности, самодиффузии и вязкости?

10. Как зависит от координат плотность теплового потока в слое вещества, имеющем плоскую, цилиндрическую и сферическую симметрию?

11. Как используются граничные условия для нахождения распределения температуры в слое вещества?

12. Что называется внешней теплопередачей? Запишите формулу Ньютона, описывающую этот процесс. Какова область её применимости?

ЛЕКЦИЯ 17

ЭЛЕМЕНТАРНАЯ КИНЕТИЧЕСКАЯ ТЕОРИЯ

ПРОЦЕССОВ ПЕРЕНОСА В ГАЗАХ

Настоящая лекция посвящена раскрытию сущности явлений переноса и нахождению количественных выражений для макроскопических коэффициентов переноса в плотных и ультра разреженных газах. Прежде чем приступить к изложению элементарной теории явлений переноса сконцентрируем свое внимание на рассмотрении столкновений молекул между собой. Именно эти микроскопические процессы играют определяющую роль в механизмах переноса молекулярных свойств, не только в газах, но также в жидкостях и твердых телах.

17.1. Столкновения молекул и их количественные характеристики

Столкновения частиц вещества друг с другом приводят к случайному изменению их кинетических энергий и, в конечном счете, к установлению равновесного распределения молекул по скоростям. Столкновения могут приводить и к другим последствиям. Например, в результате столкновения может произойти ионизация атома, химическая или ядерная реакции и многое другое. Если бы не было столкновений, то распространение запахов в воздухе и выравнивание температур в жидкостях и газах происходило бы практически мгновенно, ведь средние скорости теплового движения молекул равны сотням метров в секунду. В действительности при отсутствии конвективных потоков воздуха или жидкости продолжительность подобных процессов может составлять минуты и часы. Так же медленно происходит выравнивание скоростей макроскопического движения газа или жидкости посредством сил вязкости.

Медленность диффузии и аналогичных ей процессов объясняется тем, то в результате непрерывной череды соударений с другими частицами каждая молекула мечется туда и сюда и поэтому её продвижение вперед происходит не по прямой. Вспомните движение броуновской частицы. Траектория молекулы также изломана, как и линия, представленная на рис. 7.1. Для количественной характеристики интенсивности столкновений молекул используется четыре параметра:

1. Эффективное сечение молекулы .

2. Средняя длина свободного пробега молекул .

3. Среднее время между столкновениями .

4. Средняя частота столкновений .

Все эти параметры связаны между собой.