Способы передачи тепла нагретых тел

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 K_ток – 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 K_тол – 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 K_то – 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

СПОСОБЫ ПЕРЕДАЧИ ТЕПЛА НАГРЕТЫМ ТЕЛОМ

Различают три вида передачи тепла: теплопроводность, конвекцию и тепловое излучение.

а) Теплопроводность.Теплопроводностью называется процесс передачи тепла от одной частицы тела к другой или от одного тела к другому, когда эти частицы или тела соприкасаются друг с другом. — молекул. Теплопроводность характерна для передачи тепла в твёрдых телах.

Теплопроводность в металлах осуществляется путем теплового движения электронов, а в остальных случаях

б) Конвекция. Конвекцией называется процесс передачи тепла путем перемещения частиц жидкости или газа. При естественной конвекции движение охлаждающего газа или жидкости происходит за счет разницы плотностей нагретых и холодных объемов газа или жидкостей. При искусствен­ной конвекции охлаждающая среда приводится в движе­ние с помощью вентиляторов или насосов.

в) Тепловое излучение. Часть тепла нагретое тело отда­ет в окружающее пространство путем излучения электро­магнитных колебаний (ультрафиолетовых, световых и ин­фракрасных лучей). Этот способ теплоотдачи называется тепловым излучением, лучеиспусканием или радиацией.

УСТАНОВИВШИЙСЯ РЕЖИМ НАГРЕВА

Процесс нагрева считается установившимся, если с течением времени температура частей аппарата не изменя­ется. Температура может считаться установившейся, если за 1 ч нагрева она возрастет не более чем на 1 °С. В уста­новившемся режиме всё выделяющееся тепло отдается в окружающее пространство. В противном случае часть тепла идет на нагрев аппарата и его температура изменя­ется.

НАГРЕВ АППАРАТОВ В ПЕРЕХОДНЫХ РЕЖИМАХ.

Источник

ТРИ СПОСОБА ПЕРЕДАЧИ ТЕПЛА И КОЭФФИЦИЕНТ ТЕПЛООТДАЧИ

Передача тепла может осуществляться тремя способами:

Все эти способы теплопередачи обусловлены, разностью темпе; ратур; тепло всегда переходит от более нагретого тела к менее нагретому. Передача тепла путем теплопроводности происходит в одном и том же теле там, где в нем существует перепад темпе­ратур или где соприкасаются два различных тела’с различной температурой. Как известно, передача тепла обусловливается движением молекул и атомов тела; поэтому распространение теп­ла теплопроводностью необходимо представить себе как следст­вие того, что более нагретые и поэтому колеблющиеся быстрее молекулы отдают часть своей энергии колебания соседним мо,- лекулам, колеблющимся медленнее. Таким образом происходит распространение тепла путем теплопроводности. Кроме того, в переносе тепла участвуют Электроны. Передача тепла путем теп­лопроводности зависит от величины температурного перепада, геометрических размеров и физических свойств тела. Эта зависи­мость может быть записана в удобной математической форме. Говоря о теплопроводности, следует различать установившуюся (стационарную) и неустановившуюся (нестационарную) прово­димости тепла. Установившийся тепловой поток проходит через тело, температура которого в каждой точке не изменяется со вре: менем, т. е. через такое тело, температурное поле которого не зависит от времени. В этом случае через определенное сечение тела за один час проходит всегда неизменное -количество тепла. Если же у рассматриваемого тела температура изменяется повсе; местно или в отдельных его частях, то это вызывает соответству­ющее изменение теплового потока: он становится нестационар^- ным, т. е. зависимым от времени. При этом изменении темпера; тур изменяется и теплосодержание тела. Количество тепла, кото­рое соответствует этому изменению теплосодержания, соответст­вует и отклонению от равномерного теплового потока — Далее мы увидим, что это изменение теплосодержания тела со временем вследствие соответствующего изменения температурного поля с^ь щественно усложняет математическое описание теплопроводно — 2* сти. К счастью, изменяющееся во времени температурное поле на практике встречается лишь в регенераторах и во всех процессах нагревания. Для преобладающей же части технических процес­сов передачи тепла теплопроводностью характерны установивши­еся тепловые потоки,, которые наблюдаются при достижении ста­ционарного состояния. В этом случае математическое описание явления очень просто. Часто неустановившийся тепловой поток можно определить приближенно, прибегая к раздельному расче­ту процесса аккумуляции и установившегося теплового потока.

Передача тепла конвекцией мокет происходить лишь в газах и жидкостях. Она осуществляется следующим образом: к по­верхности нагрева поступают все новые и новые частички газа или жидкости, которые отдают ей свое тепло. Следовательно, теп­ло к поверхности нагрева переносится механическим путем (кон­вейерное перемещение). Естественно, что теплопередача конвек­цией происходит тем интенсивнее, чем больше скорость движе­ния частичек жидкости или газа. Если это движение поддержи­вается искусственно, например мешалкой или путем создания перепада давления в трубопроводах, то это соответствует искус­ственной, или вынужденной, конвекции. Напротив, движение, обу­словленное исключительно внутренними причинами, т. е. глав­ным образом тепловым расширением и связанным с ним появ­лением подъемной силы, называют свободной конвекцией.

Передача тепла излучением происходит в том случае, когда две поверхности, характеризуемые различной температурой, рас­полагаются в пространстве одна против другой и между ними на­ходится прозрачная для излучения среда. Для лучистого потока прозрачными являются «пустое» пространство и сухой воздух. Непрозрачными являются большинство жидкостей и горючих га­зов, а также различные газы в некоторых интервалах длин волн, как напримёр, СОг и водяной пар. Излучение этих газов имеет огромное значение в технике. Оно будет рассмотрено более об­стоятельно в дальнейшем.

Коэффициент теплоотдачи относится к важнейшим понятиям в области теплопередачи. Он равен такому количеству тепла, ко­торое передается теплоносителем одному квадратному метру по­верхности за один час при разности температур в 1°. Размерность коэффициента теплоотдачи: ккал/м2*час° С. Количество тепла, переданное поверхности Р м2 за т часов при разности температур между поверхностью нагрева и теплоносителем (^1—^)°С,

Источник

Способы передачи тепловой энергии

Передачу тепловой энергии называют теплопередачей. Есть три способа (рис. 1) передачи тепловой энергии:

С помощью теплопередачи можно изменять внутреннюю энергию тел.

Что такое теплопроводность

Теплопроводность — это передача (внутренней) тепловой энергии от одной части тела к другой его части.

Примечание: С помощью теплопроводности можно передавать тепловую энергию от одного тела к другому, если плотно прижать тела друг к другу.

При теплопроводности передается только энергия, а вещество не переносится.

Теплопроводности различных веществ отличаются. Металлы в твердом и жидком состоянии очень хорошо проводят тепло, то есть, обладают высокой теплопроводностью.

Примечание: Медь и серебро – это металлы с очень высокой теплопроводностью.

Но у остальных жидкостей теплопроводность меньше, чему твердых тел.

А у газов, например, у воздуха, теплопроводность очень мала. Поэтому пористые тела, содержащие большое количество газа, хорошо изолируют тепло.

Дом, построенный из пенобетона может иметь более тонкие стены, чем кирпичный дом.

В твердых телах тепло передается только с помощью теплопроводности.

Что такое конвекция и как она происходит

В жидкостях и газах тепло передается только с помощью конвекции. Конвекцио (лат.) – перенос.

Слои жидкости, или газа, имеющие различную температуру, могут самостоятельно перемешиваться. Этот процесс называется конвекцией.

Примечание: Конвекция — это самостоятельное перемешивание слоев жидкости, или газа, имеющих различную температуру.

Располагая руку в нескольких сантиметрах над горящей свечой, из-за конвекции мы можем ощущать тепло.

Как происходит конвекция: Более горячие слои жидкости, или газа, имеют маленькую плотность, поэтому поднимаются вверх, а их место занимают более холодные слои.

Примечание: Чтобы конвекция происходила хорошо, нужно нагревать жидкости и газы снизу.

— в чайнике нагревается вся вода, а не только находящаяся в нижней части чайника;

— воздух в помещении от пола до потолка прогревается батареями отопления, расположенными в нижней части помещения;

— дуют ветры, днем – с моря (дневной бриз), а по ночам – с суши на море (ночной бриз).

Что такое излучение

Излучение – это перенос тепловой энергии без помощи вещества. Поэтому в вакууме тепловая энергия переносится излучением.

Вакуум – это отсутствие молекул вещества в пространстве (глубокий вакуум в космосе), или, наличие небольшого количества молекул газа.

Например, в современных лабораториях можно из-под колокола откачать воздух до состояния, когда в одном кубометре пространства под колоколом будет содержаться всего несколько молекул воздуха.

Все тела могут излучать энергию. Сильно нагретые тела излучают больше энергии, чем более холодные.

Солнце – это большой раскаленный газовый шар, то есть, звезда. Солнце излучает тепло, это тепло через вакуум с помощью излучения переносится на Землю и нагревает ее поверхность и все тела, находящиеся на ней.

Известно, что черные предметы на солнце нагреваются очень быстро, а белые, почти не нагреваются.

По причине излучения более темные тела охлаждаются быстрее, чем белые.

В наши дни широкое распространение получили бытовые инфракрасные обогреватели. Эти обогреватели нагревают окружающие предметы с помощью теплового (инфракрасного) излучения.

Примечание: Теплопроводность и конвекция происходят в веществе. А излучение может переносить тепловую энергию без помощи вещества.

Источник