Передача тепла теплопроводностью
Теплопроводностью (кондукцией) называют процесс передачи тепла (тепловой энергии) при непосредственном соприкосновении отдельных частиц тела или отдельных тел, имеющих различные температуры. Суть процесса состоит в том, что мельчайшие частицы тела (атомы, молекулы, электроны) с более высокой температурой имеют большую кинетическую энергию и при соприкосновении с частицами с меньшей температурой отдают свою энергию, а последние ее воспринимают. При этом никакого переноса массы вещества не происходит. В чистом виде теплопроводность может наблюдаться только в твердых телах.
Процесс распространения теплового потока J при теплопроводности описывается законом Фурье:
, (1.7.1)
где λТ – коэффициент теплопроводности материала; gradT — температурный градиент вдоль потока.
В случае, когда температурное поле изменяется в одном направлении и теплофизические характеристики вещества постоянны во всех точках, уравнение (1.7.1) для тела (рис.1.7.1), имеющего постоянное поперечное сечение, можно записать в следующем виде:
(1.7.2)
где РТ – мощность, передаваемая телом, Вт; S – площадь поперечного сечения тела, м 2 ; Т1, Т2 – постоянные во времени температуры нагреваемого и охлаждаемого поперечных сечений тела, К; l – длина теплового пути, м.
Рис.1.7.1. Передача тепловой энергии в изотропном твердом теле
Значение коэффициентов теплопроводности наиболее распространенных конструкционных материалов приведены в табл.1.7.1.
Коэффициенты теплопроводности наиболее часто применяемых материалов
Клеи и компаунды
Отношение l/( λТS) называют термическим или тепловым сопротивлением и обозначают
Теперь формула (1.7.2) может быть записана так:
Эта формула по своей структуре аналогична формуле закона Ома для электрической цепи. Используя эту аналогию, можно для расчета теплового сопротивления пользоваться применяемыми в электротехнике формулами для параллельного и последовательного включения резисторов. Такой метод удобно использовать в тех случаях, когда теплопроводящее тело имеет неоднородную структуру.
Передача тепла конвекцией
Конвекцией называется перенос тепловой энергии движущимися массами жидкости или газа. Для передачи теплоты конвекцией требуется обтекание тела жидкостью или газом, имеющим другую температуру. Конвекция может быть естественной (в результате действия сил тяготения) и вынужденной (за счет действия устройств, создающих перемещение газа или жидкости).
Процесс теплопередачи при конвекции описывается законом Ньютона:
где αК – коэффициент теплопередачи конвекцией, Вт/(м 2 ·К); SТ — площадь теплоотводящей поверхности, м 2 ; ТТ, ТС – температуры теплоотводящей поверхности и охлаждающей среды, К.
В общем случае αК является функцией многих параметров охлаждающей среды:
где β – коэффициент объемного расширения среды (жидкости или газа), λ – коэффициент теплопроводности среды; Ср – удельная теплоемкость среды при определенном давлении; ρ – плотность среды; ν – коэффициент кинематической вязкости среды; а = λ/Срρ — температуропроводность среды; Ф – совокупность параметров, характеризующих форму и поверхность тела.
Зависимость физических констант среды от температур ТТ и ТС и бесконечное разнообразий форм поверхности нагретых тел исключают возможность получения табличных значений конвективных коэффициентов теплопередачи как теоретическими, так и экспериментальными методами. Поэтому для определения αК используются условия подобия физических явлений при эксперименте и в естественных условиях (теория подобия).
Согласно этой теории сложные процессы характеризуются не отдельными частными параметрами, а обобщенными, представляющими собой безразмерные комплексы размерных физических величин. Если значения обобщенных параметров находятся в определенном диапазоне величин, то процессы (явления) считаются подобными.
Математическую связь между этим множеством физических и геометрических параметров реализуют в виде безразмерных комплексов (критериев): Нуссельта (Nu); Грасгофа (Gr); Рейнольдса (Re); Прандтля (Pr); Био (Bi); Фурье (Fo); Пекле (Pe), составленных из величин, существенных для данного процесса.
В теории теплообмена конвекцией используются три обобщенных параметра (критерия), каждый из которых выражается через определенное количество физических параметров среды и имеет следующий физический смысл:
Нуссельта 
(1.7.6)
характеризует соотношение интенсивностей конвективного теплообмена и теплопроводности в пристеночном слое жидкой или газообразной среды;
Грасгофа 
(1.7.7)
характеризует соотношение подъемной и вязкой сил;
Прандтля 
(1.7.8)
характеризует физические свойства среды, где L – определяющий размер элемента конструкции (длина обтекания, длина пластины или цилиндра), м; λ, β, ν, а – соответственно коэффициенты теплопроводности, объемного расширения (жидкости или газа), кинематической вязкости, температуропроводности; g — ускорение свободного падения.
Расчет естественного конвекционного охлаждения производят на основе критериального уравнения:
где m и n – эмпирические коэффициенты, зависящие от режима перемещения охлаждающей среды (табл. 1.7.2).
Источник
Способы передачи тепла
Существует три способа передачи тепла нагретым телом: теплопроводность, конвекция и лучеиспускание.
Теплопроводность – свойство тел передавать тепло от более нагретых мест к менее нагретым. Путем теплопроводности тепло передается через твердые, жидкие и газообразные тела. Количество тепла dQ, проходящее в единицу времени dt через элементарную площадку dS от более нагретого участка тела к менее нагретому, пропорционально градиенту температуры dθ/dx в направлении, перпендикулярном площадке и зависит от теплопроводящих свойств материала, т.е.
, (36)
где 
– коэффициент теплопроводности.
Знак (–) показывает, что передача тепла идет от мест более нагретых к менее нагретым.
Коэффициент теплопроводности численно равен количеству тепла, проходящему через площадку в 1 м 2 изотермической поверхности в течение 1 с при градиенте температуры в 1 о C/м.
Конвекция. Нагретое тело, помещенное в газ или жидкость, отдает свое тепло частичкам газа или жидкости, которые, нагреваясь, становятся легче и поднимаются вверх, а на их место поступают более холодные частички. Интенсивность охлаждения зависит от скорости движения частиц охлаждающей среды. Если движение частиц охлаждающей среды создается только за счет нагрева их у поверхности горячего тела, то такая конвекция называется естественной конвекцией.
Если движение частиц создается принудительно, например, при помощи вентиляторов, насосов, то такая конвекция называется искусственной. Количество тепла, отдаваемого поверхностью нагретого тела в единицу времени за счет конвекции, определяют по формуле
, (37)
где Kток – коэффициет теплоотдачи конвекцией, Вт/ o C∙см 2 ; 
– температура нагретой поверхности, о C; 
– температура охлаждающей среды; S – площадь поверхности охлаждения, м 2 .
Лучеиспускание. Это процесс отдачи тепла, при котором тепловая энергия, превращаясь в лучистую, передается от нагретого тела в окружающую среду. Источником лучистой энергии является любое тело, у которого температура отлична от абсолютного нуля. Поглощение лучистой энергии телом зависит от длины волны и состояния его поверхности. Тело, поверхность которого поглощает все падающие на нее лучи, называется абсолютно черным телом. При нагревании оно обладает максимальной способностью излучения энергии. Излучательная способность других тел сравнивается с абсолютно черным телом как с эталоном. Количество тепла, отдаваемого при излучении с поверхности нагретого тела в 1с, может быть определено по формуле
, (38)
где Kтол – коэффициент теплоотдачи лучеиспусканием, Вт/ о С 4 ∙м 2 .
Отдача тепла нагретым телом обычно происходит одновременно путем теплопроводности, конвекции и лучеиспускания. При этом трудно определить, какая часть тепла передается в окружающую среду тем или иным способом. В практических расчетах количество тепла, отводимого с поверхности нагретого тела всеми видами теплоотдачи можно определить по формуле Ньютона
, (39) 
где Kто – эквивалентный коэффициент теплоотдачи, учитывающий отдачу тепла всеми способами.
Эквивалентный коэффициент теплоотдачи при небольших температурах изменяется незначительно. Поэтому при приближенных расчетах коэффициент теплоотдачи можно принимать постоянным.
Источник
2 теплопроводность лучеиспускание сущность способов передачи теплоты
Теплопередача – это способ изменения внутренней энергии тела при передаче энергии от одной части тела к другой или от одного тела к другому без совершения работы. Существуют следующие виды теплопередачи: теплопроводность, конвекция и излучение.
Теплопроводность
Теплопроводность – это процесс передачи энергии от одного тел а к другому или от одной части тела к дpугой благодаря тепловому движению частиц. Важно, что при теплопроводности не происходит перемещения вещества, от одного тела к другом у или от одной части телa к другой передается энергия.
Разные вещества обладают разной теплопроводностью. Если на дно пробирки, наполненной водой, положить кусочек льда и верхний её конец поместить над пламенем спиртовки, то через некоторое время вода в верхней части пробирки закипит, а лёд при этом не растает. Следовательно, вода, так же как и все жидкости, обладает плохой теплопроводностью.
Ещё более плохой теплопроводность ю обладают газы. Возьмём пробирку, в которой нет ничего, кроме воздуха, и расположим её над пламенем спиртовки. Палец, помещённый в пробирку, не почувствует тепла. Следовательно, воздух и другие газы обладает плохой теплопроводностью.
Хорошими проводниками теплоты являются металлы, самыми плохими — сильно разреженные газы. Это объясняется особенностями их строения. Молекулы газов находятся друг от друга на расстояниях, больших, чем молекулы твёрдых тел, и значительно реже сталкиваются. Поэтому и передача энергии от одних молекул к другим в газах происходит не столь интенсивно, как в твёрдых телах. Теплопроводность жидкости занимает промежуточное положение между теплопроводностью газов и твёрдых тел.
Конвекция
Как известно, газы и жидкости плохо проводят теплоту. В то же время от батарей парового отопления нагревается воздух. Это происходит благодаря такому виду теплопроводности, как конвекция.
Если вертушку, сделанную из бумаги, поместить над источником тепла, то вертушка начнёт вращаться. Это происходит потому, что нагретые менее плотные слои воздуха под действием выталкивающей силы поднимаются вверх, а более холодные движутся вниз и занимают их место, что и приводит к вращению вертушки.
Конвекция — вид теплопередачи, при котором энергия передаётся слоями жидкости или газа. Конвекция связана с переносом вещества, поэтому она может осуществляться только в жидкостях и газах; в твёрдых телах конвекция не происходит.
Излучение
Третий вид теплопередачи — излучение. Если поднести руку к спирали электроплитки, включённой в сеть, к горящей электрической лампочке, к нагретому утюгу, к батарее отопления и т.п., то можно явно ощутить тепло.
Опыты также показывают, что чёрные тела хорошо поглощают и излучают энергию, а белые или блестящие плохо испускают и плохо поглощают её. Они хорошо энергию отражают. Поэтому понятно, почему летом носят светлую одежду, почему дома на юге предпочитают красить в белый цвет.
Путём излучения энергия передаётся от Солнца к Земле. Поскольку пространство между Солнцем и Землёй представляет собой вакуум (высота атмосферы Земли много меньше расстояния от неё до Солнца), то энергия не может передаваться ни путём конвекции, ни путём теплопроводности. Таким образом, для передачи энергии путём излучения не требуется наличия какой-либо среды, эта теплопередача может осуществляться и в вакууме.
Конспект урока «Виды теплопередачи: теплопроводность, конвекция, излучение».
Источник
