Теплопередача

Теплопередача — физический процесс передачи тепловой энергии от более горячего тела к менее горячему, либо непосредственно (при контакте), или через разделяющую (тела или среды) перегородку из какого-либо материала. Когда физические тела одной системы находятся при разной температуре, то происходит передача тепловой энергии, или теплопередача от одного тела к другому до наступления термодинамического равновесия. Самопроизвольная передача тепла всегда происходит от более горячего тела к менее горячему, что является следствием второго закона термодинамики.

Виды теплопередачиПравить

Всего существует три простых (элементарных) механизма передачи тепла:

Существуют также различные виды переноса тепла, которые являются сочетанием элементарных видов. Основные из них:

  • теплоотдача (конвективный теплообмен между потоками жидкости или газа и поверхностью твёрдого тела),
  • теплопередача (теплообмен от горячей среды [жидкость, газ или твердое тело] к холодной через разделяющую их стенку),
  • конвективно-лучистый перенос тепла (совместный перенос тепла излучением и конвекцией),
  • термомагнитная конвекция.

Внутренние источники теплоты — понятие теории теплопередачи, которое описывает процесс производства (реже поглощения) тепловой энергии внутри материальных тел без какого-либо подвода или переноса тепловой энергии извне. К внутренним источникам теплоты относятся:

  • тепловыделение при работе электрического тока,
  • тепловыделение при ядерных реакциях,
  • тепловыделение при химических реакциях.


 
Моделирование конвекции в мантии Земли. Цвета варьируются от красного и зелёного для высокой температуры до синего для низкой температуры. Горячий, и менее плотный нижний пограничный слой поставляет горячее вещество вверх в виде струй, а холодное вещество движется вниз.

АдвекцияПравить

Адвекция происходит путем передачи вещества и энергии, включая тепловую, перемещая посредством физического переноса горячего или холодного объёма из одного места в другое.[1] В качестве примеров можно указать заполнение бутылки горячей водой и передвижение айсберга посредством океанских течений. Практический пример — теплогидравлика, которую можно описать простой формулой:

 

где

  •   тепловой поток (Вт/м2),
  •   плотность вещества (кг/м3),
  •   — теплоемкость при постоянном давлении (Дж/кг·К),
  •   — разница температур (К),
  •   скорость (м/с).

ТеплопроводностьПравить

В микроскопическом масштабе теплопроводность происходит, когда горячие, быстро движущиеся или колеблющиеся атомы и молекулы взаимодействуют с соседними атомами и молекулами, передавая часть своей кинетической энергии этим частицам. Другими словами, тепло передается за счет теплопроводности, когда соседние атомы движутся друг относительно друга или когда электроны перемещаются от одного атома к другому. Теплопроводность представляется наиболее важным средством передачи тепла внутри твердого тела или между твердыми объектами, находящимися в тепловом контакте. Жидкости, особенно газы, обладают меньшей теплопроводностью. Контактная теплопроводность — это исследование теплопроводности между соприкасающимися твердыми телами.[2] Процесс передачи тепла из одного объёма в другой без макроскопического движения частиц называется теплопроводностью. Например, когда вы кладете руку на холодный стакан с водой — тепло передается от теплой кожи к холодному стеклу, но если рука находится на расстоянии нескольких сантиметров от стекла, то теплопроводность будет незначительной, поскольку воздух плохо проводит тепло. Стационарная теплопроводность — это идеализированная модель теплопроводности, которая возникает при постоянной разности температур, то есть когда возникающая через некоторое время пространственное распределение температур в теплопроводящем объекте не изменяется (см Закон Фурье).[3] В установившемся режиме теплопроводности количество тепла, поступающего в тело, равно количеству выходящего тепла, поскольку, в этом режиме, изменение температуры (мера тепловой энергии) равно нулю. Примером стационарной теплопроводности является поток тепла через стены теплого дома в холодный день — внутри дома поддерживается высокая температура, а снаружи температура остается низкой, поэтому передача тепла в единицу времени остается постоянной, определяемой теплоизоляцией стены, а пространственное распределение температуры в стенах будет примерно постоянным во времени.

Нестационарная теплопроводность описывается. уравнением теплопроводности и возникает, когда температура внутри объекта изменяется как функция времени. Анализ нестационарных систем более сложен, и аналитические решения уравнения теплопроводности получены только для идеализированных модельных систем. В практических приложениях обычно используются численных методы, методы аппроксимации или эмпирические исследования.[2]

КонвекцияПравить

Поток жидкости может вызываться внешними процессами или иногда (в гравитационных полях) силами плавучести, возникающими, когда тепло расширяет жидкость (например, в огненном шлейфе), тем самым влияя на её перенос. Последний процесс часто называют «естественной конвекцией». Все конвективные процессы также сопровождаются переносом тепла частично за счет диффузии. Другой вид конвекции — вынужденная конвекция. В этом случае жидкость заставляют течь с помощью насоса, вентилятора или других механических средств.

Конвективная теплопередача, или просто конвекция, — это процесс передачи тепла от одного объёма к другому за счет движения жидкостей и газов, процесс, который по сути является передачей тепла посредством массообмена. Движение массы жидкости улучшает теплопередачу во многих физических ситуациях, таких как теплообмен между твердой поверхностью и жидкостью.[4] Конвекция обычно доминирует в процессе теплопередачи в жидкостях и газах. Хотя иногда её называют третьим методом теплопередачи, конвекция обычно используется для описания комбинированных эффектов теплопроводности внутри текучей среды (диффузия) и теплопередачи за счет объемного потока текучей среды.[5] Процесс переноса тепла с потоком жидкости известен как адвекция, но чистая адвекция — это термин, который обычно ассоциируется только с переносом массы в жидкости, например адвекцией гальки в реке. В случае теплопередачи в жидкости, перенос посредством адвекции в жидкости всегда сопровождается переносом тепла посредством диффузии (также известной как теплопроводность), процесс конвекции понимается как сумма переноса тепла посредством адвекции и диффузии/теплопроводности.

Свободная или естественная конвекция возникает, когда объемные движения жидкости (потоки и течения) вызываются силами плавучести, которые возникают в результате изменения плотности зависящей от температуры жидкости. Вынужденная конвекция возникает, когда потоки в жидкости индуцируются внешними средствами, такими как вентиляторы, мешалки и насосыи.[6]

Тепловое излучениеПравить

 
Раскаленный железный предмет, передающий тепло в окружающую среду посредством теплового излучения

Тепловое излучение передаётся через вакуум или любую прозрачную среду (твердую, жидкую или газообразную). Такая передача энергии с помощью фотонов электромагнитных волн, подчиняющаяся тем же законам.[7]

Тепловое излучение — это энергия, излучаемая веществом в виде электромагнитных волн из-за наличия тепловой энергии во всем веществе при температуре выше абсолютного нуля. Тепловое излучение распространяется без материи в вакууме.[8]

Тепловое излучение существует благодаря беспорядочным движениям атомов и молекул в веществе. Поскольку эти атомы и молекулы состоят из заряженных частиц (протонов и электронов), их движение приводит к испусканию электромагнитного излучения, которое уносит энергию от поверхности.

Уравнение Стефана — Больцмана, которое описывает скорость передачи лучистой энергии, для объекта в вакууме записывается следующим образом: :

 

Для переноса излучения между двумя телами уравнение выглядит следующим образом:

 

где

  •   тепловой поток ,
  •   — коэффициент излучения (равен единице для абсолютно чёрного тела),
  •   — постоянная Стефана — Больцмана ,
  •   коэффициент видимости между двумя поверхностями a и b,[9] и
  •   и   — абсолютные температуры (в кельвинах или градусах Ренкина) для двух объектов.

Излучение обычно важно только для очень горячих объектов или для объектов с большой разницей температур или для тел в вакууме.

Излучение солнца или солнечное излучение можно использовать для получения тепла и энергии.[10] В отличие от теплопроводности и конвективных форм теплопередачи, тепловое излучение, приходит в узком углу, то есть исходящее от источника, намного меньшего, чем расстояние до него, и может быть сконцентрировано в небольшом пятне с помощью отражающих зеркал, которые используются для концентрации солнечной энергии, или выжигательной линзой.[11] Например, солнечный свет, отраженный от зеркал, используется в солнечной электростанции PS10, которая днем может нагреть воду до 285 °C (545 °F)

Достижимая температура на цели ограничена температурой горячего источника излучения. (Закон T 4 позволяет обратному потоку излучения нагревать источник). Горячее солнце (на своей поверхности имеет температуру примерно 4000 К) позволяет достичь примерно 3000 К (или 3000 ° C) на маленьком зонде в фокусе большого вогнутого концентрирующего зеркала в солнечной печи Мон-Луи во Франции.[12]

Коэффициент теплопередачиПравить

Коэффициент теплопередачи показывает, какое количество теплоты переходит в единицу времени от более нагретого к менее нагретому теплоносителю через 1 м2 теплообменной поверхности при разности температур между теплоносителями 1 К. Обычно выражается в Вт/(м2·К), в справочниках также может приводиться величина потока за один час. В строительстве получила распространение обратная величина — «коэффициент термического сопротивления».

Основное уравнение теплопередачиПравить

Основное уравнение теплопередачи: количество теплоты, переданное от более нагретого тела к менее нагретому, пропорционально поверхности теплообмена, среднему температурному напору и времени:

 

где

K — коэффициент теплопередачи[⇨] вдоль поверхности теплообмена,
F — поверхность теплообмена,
Δtср — средний температурный напор (средняя разность температур между теплоносителями),
τ — время.

ПримечанияПравить

  1. Mass transfer. Thermal-FluidsPedia. Thermal Fluids Central.
  2. 1 2 Abbott, J.M. Introduction to Chemical Engineering Thermodynamics / J.M. Abbott, H.C. Smith, M.M. Van Ness. — 7th. — Boston, Montreal : McGraw-Hill, 2005. — ISBN 0-07-310445-0.
  3. Heat conduction. Thermal-FluidsPedia. Thermal Fluids Central.
  4. Çengel, Yunus. Heat Transfer: A practical approach. — 2nd. — Boston : McGraw-Hill, 2003. — ISBN 978-0-07-245893-0.
  5. Convective heat transfer. Thermal-FluidsPedia. Thermal Fluids Central.
  6. Convection — Heat Transfer. Engineers Edge. Дата обращения: 20 апреля 2009.
  7. Transport Processes and Separation Principles. — Prentice Hall. — ISBN 0-13-101367-X.
  8. Radiation. Thermal-FluidsPedia. Thermal Fluids Central.
  9. Thermal Radiation Heat Transfer. — Taylor and Francis.
  10. Mojiri, A (2013). “Spectral beam splitting for efficient conversion of solar energy—A review”. Renewable and Sustainable Energy Reviews. 28: 654—663. DOI:10.1016/j.rser.2013.08.026.
  11. Taylor, Robert A. (March 2011). “Applicability of nanofluids in high flux solar collectors”. Journal of Renewable and Sustainable Energy. 3 (2): 023104. DOI:10.1063/1.3571565.
  12. Megan Crouse: This Gigantic Solar Furnace Can Melt Steel manufacturing.net, 28 July 2016, retrieved 14 April 2019.

ЛитератураПравить

  1. Григорьев Б. А., Цветков Ф. Ф. Тепломассообмен: Учеб. пособие — 2-е изд. — М: МЭИ, 2005.
  2. Исаченко В. П. и др. Теплопередача: Учебник для вузов. 3-е изд., перераб. и доп. — М.: Энергия, 1975.
  3. Галин Н. М., Кириллов П. Л. Тепломассообмен. — М.:Энергоатомиздат, 1987.
  4. Карташов Э. М. Аналитические методы в теплопроводности твердых тел. — М.: Высш. шк., 1989.
  5. Крупнов Б. А., Шарафадинов Н. С. Руководство по проектированию систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха. 2008
  6. Котляр Я. М., Совершенный В. Д., Стриженов Д. С. Методы и задачи тепломассообмена. — М.: Машиностроение, 1987. — 320 с.
  7. Лыков А. В., Михайлов Ю. А. Теория переноса энергии и вещества. — Минск, АН БССР, 1959. — 330 с.