Лекция 8

ТЕПЛООБМЕН И ТЕПЛОПЕРЕДАЧА

Этим названием определяется содержание того раздела курса, к которому мы сейчас приступаем. Наша задача будет заключаться в том, чтобы познакомиться с основами учения о процессах передачи и распространения тепла.

Знание законов теплопередачи имеет решающее значение при проектировании и эксплуатации большого числа устройств и сооружений практически во всех отраслях промышленности.

Теплообменом называются процессы переноса тепла в пространстве.

Теплообмен – сложное явление, которое может быть разделено на три частных способа передачи тепла: теплопроводность, конвекцию и тепловое излучение.

Рассмотрим краткую характеристику каждого из указанных способов.

ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ

Теплопроводность – процесс передачи энергии за счет непосредственного взаимодействия микрочастиц вещества.

Теплопроводность представляет собой передачу кинетической энергии от одних молекул к другим. В чистом виде теплопроводность встречается в твердых телах. В таких телах, как стекло и кварц, часть энергии наряду с теплопроводностью передается излучением. В газах и жидкостях передача тепла теплопроводностью дополняется передачей конвекцией и излучением. В аморфных веществах теплота передается за счет упругих волн в материале. В проводниках – за счет диффузии свободных электронов. В подвижных средах – за счет соударения молекул.

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ

Тепловой поток Q [Вт] – это количество теплоты, проходящее в единицу времени через поверхность, перпендикулярную температурному градиенту.

Удельный тепловой поток или плотность теплового потока:

Температурное поле – совокупность всех значений температуры в теле в данный момент времени.

Процесс теплопроводности (как и другие виды теплообмена) может иметь место лишь тогда, когда в различных точках тела температура неодинакова. В общем случае процесс передачи тепла теплопроводностью в твердом теле сопровождается изменением температуры как в пространстве, так и во времени.

Значение температуры в любой точке пространства, определяемой координатами x, y, z в каждый момент времени τ может быть описано уравнением:

которое представляет собой математическое выражение температурного поля в его наиболее общем виде, когда температура меняется вдоль всех координатных осей, а также с течением времени. Такое температурное поле называют трехмерным нестационарным.

Если , т.е. температура каждой точки с течением времени не изменяется, то такое поле называется трехмерным стационарным.

Режим называется установившимся или стационарным.

Наиболее простым является случай одномерного температурного поля:

когда температура с течением времени не изменяется и является функцией лишь одной координаты.

Целью решения задач является определение температурного поля.

Изотермическая поверхность – это геометрическое место точек с одинаковой температурой.

Свойства изотермических поверхностей:

1. В однородном изотропном теле изотермические поверхности непрерывны;

2. Изотермические поверхности не пересекаются.

Для того, чтобы оценить, насколько резко меняется температура внутри тела, пользуются понятием температурного градиента:

Температурный градиент – предел отношения разности температур между изотермами к расстоянию между ними по нормали при стремлении этого расстояния к нулю.

Температурный градиент - величина векторная, положительное направление которой совпадает с направлением роста температуры.

Тепловой поток передается в обратном направлении.