Способ передачи тепла теплопроводностью

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

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 λ_Т – 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 Р_Т – 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/( λ_ТS) 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 α_К – коэффициент теплопередачи конвекцией, Вт/(м 2 ·К); S_Т — площадь теплоотводящей поверхности, м 2 ; Т_Т, Т_С – температуры теплоотводящей поверхности и охлаждающей среды, К.

В общем случае α_К является функцией многих параметров охлаждающей среды:

где β – коэффициент объемного расширения среды (жидкости или газа), λ – коэффициент теплопроводности среды; С_р – удельная теплоемкость среды при определенном давлении; ρ – плотность среды; ν – коэффициент кинематической вязкости среды; а = λ/С_рρ — температуропроводность среды; Ф – совокупность параметров, характеризующих форму и поверхность тела.

Зависимость физических констант среды от температур Т_Т и Т_С и бесконечное разнообразий форм поверхности нагретых тел исключают возможность получения табличных значений конвективных коэффициентов теплопередачи как теоретическими, так и экспериментальными методами. Поэтому для определения α_К 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

Теплообмен — основные виды в физике, суть и примеры

Передача тепла или теплообмен это процесс распространения внутренней энергии в пространстве с разными температурами.

Теплопроводность это способность веществ и тел проводить энергию (тепло) от частей с высокой температурой к частям с более низкой. Такая способность существует за счет движения частиц. Энергия может передаваться между телами и внутри одного тела. Нагревая в пламени один конец гвоздя, мы рискуем обжечься о другой его конец, не находящийся в пламени.

В начале развития науки о свойствах тел и веществ считалось, что тепло передается путем перетекания «теплорода» между телами. Позже, с развитием физики, теплопроводность получила объяснение взаимодействием частиц вещества. Электроны в нагреваемом над огнем участке гвоздя движутся активнее и через столкновения отдают тепло медленным электронам в части, которая не подвергается нагреванию.

Виды теплообмена и способы передачи тепла

В физике выделяют несколько видов теплообмена:

Теплопроводность – свойство материалов передавать через свой объем поток тепла путем обмена энергией движения частиц.

Конвекция – перенос тепла, осуществляемый перемещением неравномерно прогретых участков среды (газа, жидкости) в пространстве.

Излучение – в данном случае перенос тепла в вакууме или газовой среде осуществляется электромагнитными волнами.

Рассмотрим сущность и назначение каждого из видов теплообмена.

Теплопроводность

В большинстве случаев виды теплообмена тесно связаны и проходят одновременно. Конвекция всегда дополняется теплопроводностью, так как при движении объема среды всегда имеется взаимодействие частиц с разными температурами. Такой процесс имеет название конвективного теплообмена.

Примером такого типа теплообмена является остывание горячего чая, налитого в холодную металлическую кружку. Отдача тепла может сопровождаться его излучением, тогда в переносе теплоты участвуют все три вида: теплопроводность, конвекция, тепловое излучение.

Рассмотрим более подробно теплопроводность.

Этот вид теплообмена присущ твердым телам, но присутствует так же в жидкостях и газах. В твердых телах теплопроводность является основным видом теплообмена и напрямую зависима от природы вещества, его плотности, химического состава, влажности, температуры.

Разные тела и вещества имеют разную теплопроводность. Количественным показателем теплопроводности служит коэффициент теплопроводности, он обозначается буквой λ (лямбда). Чем выше плотность, влажность и температура тела, тем больше λ.

Проведение тепла происходит за счет взаимодействий между частицами. Конечной целью процесса будет выравнивание внутренней температуры по всему телу. Теплопроводность жидкостей меньше, чем у твердых тел, у газов – меньше, чем у жидкостей. Причиной является большое расстояние между молекулами в жидкостях, особенно в газах.

Низкая теплопроводность воздуха издавна используется при изготовлении двойных оконных рам. Теплопроводность воздуха гораздо ниже теплопроводности стекла. Воздушная прослойка межу стеклами защищает от зимней стужи.

Плохая теплопроводность, появившаяся в процессе эволюции в качестве защиты от критических температур, у живых организмов. Шерсть, пух, волосы, жир обладают очень низкой теплопроводностью. Именно поэтому мы не мерзнем зимой в теплых носках, песцы могут спать на снегу, а моржи выживают в условиях Арктики за счет жировой прослойки.

В таблице приведены примеры материалов, веществ и сред с наименьшей и наибольшей теплопроводностью.

Исходя из данных, приведенных в таблице, можно сделать некоторые выводы:

В вакууме тепло не проводится. Передача тепла в вакууме может происходить с помощью излучения. Таким способом тепло Солнца доходит до нашей планеты.

Материал с наивысшей теплопроводностью называется графен, который активно используется в наноэлектронике.

Металлы тоже достаточно теплопроводные. Известно, как быстро нагревается металлическая ложка в горячем супе.

Строительные материалы обладают низкой теплопроводностью, что и обуславливает их использование для возведения теплых и надежных жилищ.

С понятием теплопроводности тесно связано понятие теплоемкости.

Теплоемкостью называют количество тепла, которое поглотило тело (вещество), чтобы его температура повысилась на 1 градус. Действительно, для повышения температуры металлического стержня на 1 градус, необходимо, чтобы он обладал теплопроводностью для равномерного нагревания всего объёма.

Знания о теплопроводности веществ и материалов необходимы в строительстве, промышленности, быту. Степень теплопроводности материала обуславливает его применение в той или иной сфере. Разработка и поиск новых веществ с уникальными теплоизоляционными свойствами – важнейшая задача современной науки.

Конвекция

При конвекции энергия передается потоками, возникающими в различных средах.

В зависимости от причины возникновения, процессы этого типа теплообмена делят на естественную и вынужденную конвекцию:

Естественная конвекция возникает под влиянием естественных сил: неравномерного прогрева, силы тяжести. Процессы естественной конвекции происходят на планете ежеминутно. Появление облаков, формирование атмосферных фронтов, циклонов и антициклонов в атмосфере возможно благодаря этому процессу. Воды мирового океана так же подвержены процессам конвекции, в результате образуются океанические течения. Движение тектонических плит так же обусловлено конвективными процессами.

Вынужденная конвекция — зависит от присутствия внешних сил. Например, при помешивании ложкой горячий чай остывает именно за счет этого явления.

Излучение

Излучение тепла является электромагнитным процессом. Тепло выделяют любые тела, температура которых выше 0 К.

Тепло излучается телами благодаря тому, что любое вещество состоит из молекул и атомов, а они, в свою очередь, из заряженных протонов и электронов. Таким образом, любое тело оказывается пронизанным электромагнитным полем.

Источник