Основные понятия и определения, механизмы переноса тепла. Теплопроводность. Основы теории передачи теплоты

Основные понятия и определения Теплота самопроизвольно передается от среды с более высокой температурой к среде с более низкой температурой; Тепловые - процессы скорость которых определяется скоростью переноса энергии в форме теплоты; Движущая сила – разность температур t; Количество переданной теплоты Q, Дж, кДж;

Теплообменная поверхность – F, м2; Плотность теплового потока - количество теплоты, передаваемой через единицу поверхности в единицу времени: q=Q/F, Вт/м2; Процесс передачи теплоты – установившийся и неустановившийся: Q=f (t, F,τ…)

Градиент температуры Градиент температуры - это вектор, нормальный к изотермической поверхности и направленный в сторону возрастания температуры. Численно градиент температуры равен производной от температуры по нормали к поверхности:

Способы (механизмы) передачи теплоты Теплопроводность – перенос энергии микрочастицами (молекулами, ионами, электронами) за счет их «теплового» движения. Носители энергии – микрочастицы, совершающие колебательное движение, процесс протекает на молекулярном уровне; Конвекция – перемещение в пространстве неравномерно нагретых объемов среды, перенос тепла связан с переносом массы; Тепловое излучение – перенос тепла от одного тела к другому электромагнитными волнами.

Теплопроводность Закон Био – Фурье - количество тепла, возникающего в теле вследствие теплопроводности при некоторой разности температур в отдельных частях тела, прямо пропорционально градиенту температуры, времени проведения процесса и площади сечения, перпендикулярного направлению теплового потока.

Закон Био-Фурье dQ= - · dF· gradt·dτ, где dQ – количество тепла, Дж; - коэффициент пропорциональности, коэффициент теплопроводности, ; grad t – градиент температуры, К/м; dτ – время, с; dF – поверхность теплообмена, перпендикулярная тепловому потоку, м2.

Коэффициент теплопроводности Коэффициент теплопроводности - физическая характеристика, способность данного тела проводить тепло. Количественно коэффициент теплопроводности равен количеству тепла, проходящего в единицу времени через единицу изотермической поверхности F в стационарном температурном поле, при единичном градиенте температур,:

Коэффициент теплопроводности зависит от природы и агрегатного состояния вещества, от температуры и давления. Для газов возрастает с повышением температуры и мало зависит от давления; для жидкости – уменьшается с увеличением температуры; для твердых тел – увеличивается с повышением температуры.

Дифференциальное уравнение теплопроводности Уравнение выводится на основе закона сохранения энергии, считая, что тело однородно и изотропно (одинаковость физических свойств). Физические параметры,λ, с – постоянны. Согласно закону сохранения энергии вся теплота внесенная из вне в элементарный объем путем теплопроводности за время dτ идет на изменение внутренней энергии вещества в этом объеме:

где а – коэффициент температуроводности, физический параметр вещества, м2/с; Уравнение гласит – изменение температуры во времени для любой точки тела пропорционально величине а.

Закон Фурье для стационарного процесса Уравнение теплопроводности для многослойной плоской стенки : Уравнение теплопроводности для плоской стенки

Уравнение теплопроводности для цилиндрической стенки ( для стационарного режима ) Уравнение теплопроводности цилиндрической однослойной стенки : Уравнение теплопроводности многослойной цилиндрической стенки:

Лучистый теплообмен Физические основы

Лучистый теплообмен Процесс распространения тепла в виде электромагнитных волн. Все тела обладают способностью излучать энергию, поглощать энергию и превращать ее в тепловую. Тепловое излучение имеет одинаковую природу со световым.

Характеристики теплового излучения Лучеиспускательная способность – количество энергии, излучаемой единицей поверхности тела в единицу времени во всем интервале длин волн: E=Q л /(F τ) Лучеиспускательная способность абсолютно черного тела пропорциональна абсолютной температуре его поверхности в 4-ой степени (закон Стефана Больцмана): Где K 0 - константа лучеиспускания абсолютно черного тела, с 0 - коэффициент лучеиспускания абсолютно черного тела

Интенсивность лучистого потока Интенсивность общего лучистого потока зависит от 4-ой степени абсолютной температуры излучающего тела, его излучающей способности и степени черноты серого тела:

Закон Кирхгофа Отношение лучеиспускательной способности тел к их поглощательной способности для всех тел одинаково и равно лучеиспускательной способности абсолютно черного тела при той же температуре: E 0 =E c /А

Чем выше температура излучающего тела, тем в более короткой области длин волн лежит максимум излучения. Лучистый теплообмен становится заметным по сравнению с конвективным при температуре больше 400 С

Лучеиспускательная способность газов зависит от объема, вида газа и температуры в степени 3-3,5; Газы излучают объемом; Газы излучают в определенной части спектра; Лучеиспускательная способность смеси газов ниже, чем отдельного газа.