3.12. Теплопередача

Существуют два фундаментальных свойства теплоты, которые необходимо знать:

1. У тепла нет никаких специфических характеристик; это означает, что оно может иметь разную физическую природу, его можно измерить, но при этом его невозможно различить

2. Тепло невозможно ограничить, это означает, что оно свободно передается от теплых частей системы к холодным.

Тепловая энергия может быть передана от объекта к объекту тремя способами. теплопроводностью, конвекцией и излучением. Один из объектов, получающий или отдающий тепло, может быть детектором тепла. Его функция заключается в измерении количества тепла, поглощаемого или выделяемого объектом, для получения определенной информации об этом объекте Такой информацией может быть температура объекта, теплота химических реакций, расположение или перемещение объектов и тд.

3.12.1 Теплопроводность

Для передачи тепла через механизм теплопроводности необходимо обеспечить контакт между двумя объектами. Термически возбужденные частицы теплого тела совершают энергичные колебательные движения и передают кинетическую энергию частицам более холодного тела, которые при этом переходят в возбужденное состояние. В результате теплый объект теряет тепло, а холодный — поглощает его. Передача тепла по механизму теплопроводности аналогична потоку воды или электрическому току. Например, прохождение тепла через стержень описывается выражением, похожим на закон Ома. Скорость теплового потока через поперечное сечение площадью А (тепловой «ток») пропорциональна градиенту температуры (тепловому «напряжению») по длине стержня (dT/dx):

(3.118)

где к называется коэффициентом теплопроводности материала. Знак минус означает, что тепло течет в направлении уменьшения температуры. Хорошие проводники тепла обладают высокими коэффициентами к (большинство металлов), в то время как хорошие теплоизоляторы — низкими. Коэффициент теплопроводности материалов считается константой, хотя, на самом деле, он несколько увеличивается с ростом температуры. Для вычисления тепловых потерь за счет теплопроводности, например, через провод, необходимо знать температуру на обоих его концах: T₁ и Т₂:

(3.119)

где L — длина провода. На практике часто вместо коэффициента теплопроводности используется тепловое сопротивление, определяемое как:

(3.120)

В этом случае уравнение (3.119) принимает вид:

(3.121)

В Приложение приведены значения коэффициентов теплопроводности для некоторых материалов.

На рис. 3.39 показан идеальный температурный профиль внутри многослойной структуры, состоящей из материалов с разной теплопроводностью. Но в реальной жизни теплопередача через соединение двух материалов может происходить совсем по-другому. Если соединить вместе два материала и понаблюдать за распространением тепла в такой конструкции, полученный температурный профиль может выглядеть, как показано на рис. 3.40А. Если боковые поверхности соединяемых объектов имеют хорошую изоляцию, в стационарных условиях тепловые потоки в обоих материалах должны быть равны. Резкое падение температуры в зоне контакта, площадь которого равна а, объясняется наличием теплового переходного сопротивления. Передачу тепла через двухслойную структуру можно описать следующим выражением:

(3.122)

где R_A и R_B- тепловые сопротивления двух материалов, a R_c - переходное сопротивление:

(3.123)

Величина h_c называется переходным коэффициентом. Для некоторых типов датчиков, в которых есть механические соединения элементов из двух разных материалов, этот коэффициент играет большое значение. Под микроскопом зона соединения может выглядеть, как показано на рис. 3.40Б. Поскольку реальные поверхности никогда не бывают идеально гладкими, все неровности на них влияют на величину переходного сопротивления.

(А) (Б)

Рис. 3.40. А — температурный профиль в зоне контакта двух объектов, Б — вид поверхности контакта под микроскопом

Передача тепла в зоне контакта определяется следующими факторами:

1. Теплопроводностью реального физического соединения двух материалов.

2. Теплопроводностью газов (воздуха) в порах, созданных неровностями поверхностей