Основи теплопередачі

Теплопередача – це наука,що вивчає закони переносу тепла як в середині однорідного тіла, так і між різними тілами.

Перенос тепла від одного тіла до другого називається теплообміном.

Тіла, що беруть участь в теплообміні, називаються теплоносіями.

Перенос тепла здійснюється різними способами.

• Теплопровідність – перенос тепла мікрочастинками, що хаотично рухаються або коливаються (мікроперенос).

В газах і рідинах носіями тепла є молекули, в металах – вільні електрони, в кришталевих тілах – атоми в вузлах кришталевої решітки.

• Конвекція – перенос тепла рідинами(газами), що рухаються, в тому числі турбулентними вихорами (мікрочастинками рідини).

Існує два види конвекції:

• Природна(вільна) конвекція, якщо рух рідини обумовлений різницею густини в різних точках системи(із – за різниці складів або температур).

• Вимушена конвекція, якщо рух рідини відбувається під дією різниці тисків в різних точках системи або під дією мішалки.

• Теплове випромінювання – перенос тепла енергії(тепла) електромагнітними хвилями випромінюваними нагрітими тілами. Всі тіла здатні випромінювати енергію і поглинати енергію, випромінювану іншими тілами. В реальних умовах перенос тепла може здійснюватись декількома способами одночасно.

Наприклад при теплообміні між стінкою і газовим потоком тепло передається одночасно теплопровідністю(молекулами), конвекцією(мікрочастинками) і випромінюванням. Такий процес називається тепловіддачею.

Теплообмін між двома рідинами через стінку, що їх розділяє, називається теплопередачею.

1. Т

   Q_T1

   Q_К1

   

   Q_T3

   Q_К3

   

   Q_T2

   еплопровідність

   1. Закон Фур’є

Р

0

q_t

t=const

t+t=const

n

озглянемо нерухоме тіло, в якому перенос тепла здійснюється тільки молекулярним механізмом. Виділимо в тілі множину точок з однаковою температурою t=const (ізотермічна поверхня).

На деякій відстані n маємо другу ізотермічну поверхню з температурою t+t=const. Між цими поверхнями температура зростає найбільш стрімко в напрямку нормалі . В точці О

– зміна температури на одиницю відстані вздовж нормалі до ізотермічної поверхні (скалярна величина).

– градієнт температури в точці О. Це вектор, направлений по нормалі до ізотермічної поверхні в сторону зростання температури, абсолютна величина якого становить .

Перенос тепла в точці О відбувається в напрямі, протилежному напряму градієнту температур.

Вектор щільності потоку тепла при молекулярному механізмі переносу пропорційний градієнту температур в даній точці і має протилежний напрям (Закон Фур’є).

,

де  - коефіцієнт теплопровідності.

Фізичний сенс і розмірність коефіцієнта теплопровідності витікають із вираження:

при = 1  = q_Т, тобто  - це щільність потоку тепла при = 1 .

Коефіцієнт теплопровідності залежить від властивостей речовин. Його значення приведені в довідниках (мідь – 380; ст-3 – 40; рідини – 0,1 – 0,2; повітря – 0,027).