Просмотр кода страницы Теплопередача

'''Теплопередача''' — [[физика|физический]] процесс передачи [[Тепловая энергия|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 [[температура|температуре]], то происходит ''передача тепловой энергии'', или теплопередача от одного тела к другому до наступления [[Термодинамическое равновесие|термодинамического равновесия]]. Самопроизвольная передача тепла ''всегда'' происходит от более горячего тела к менее горячему, что является следствием [[Термодинамика#Законы термодинамики|второго закона термодинамики]].

== Виды теплопередачи ==
Всего существует три простых (элементарных) механизма передачи тепла:
* [[теплопроводность]],
* [[конвекция]],
* [[тепловое излучение]].
* ''передача тепла при испарении''

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.


[[Файл:Convection-snapshot.png|мини|400x400пкс| Моделирование конвекции в [[Планетарная мантия|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.]]

=== Адвекция ===
Адвекция происходит путем передачи вещества и энергии, включая тепловую, перемещая посредством физического переноса горячего или холодного объёма из одного места в другое.<ref>{{Cite web|url=https://www.thermalfluidscentral.org/encyclopedia/index.php/Mass_Transfer|title=Mass transfer|website=Thermal-FluidsPedia|publisher=Thermal Fluids Central}}</ref> В качестве примеров можно указать заполнение бутылки горячей водой и передвижение айсберга посредством океанских течений. Практический пример — теплогидравлика, которую можно описать простой формулой:

: <math>\phi_q=v \rho c_p \Delta T</math>

где

* <math>\phi_q</math> тепловой поток (Вт/м<sup>2</sup>),
* <math>\rho</math> плотность вещества (кг/м<sup>3</sup>),
* <math>c_p</math> — теплоемкость при постоянном давлении (Дж/кг·К),
* <math>\Delta T</math> — разница температур (К),
* <math>v</math> скорость (м/с).

=== Теплопроводность ===
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 [[Тепловой контакт|тепловом контакте]]. Жидкости, особенно газы, обладают меньшей теплопроводностью. [[Тепловая проводимость контакта|Контактная теплопроводность]] — это исследование теплопроводности между соприкасающимися твердыми телами.<ref name=Abbott>{{cite book |last=Abbott |first=J.M. |last2=Smith |first2=H.C. |last3=Van Ness |first3=M.M. |title=Introduction to Chemical Engineering Thermodynamics |year=2005 |publisher=McGraw-Hill |location=Boston, Montreal |isbn=0-07-310445-0 |edition=7th}}</ref> 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 [[теплопроводность|Закон Фурье]]).<ref>{{Cite web|url=https://www.thermalfluidscentral.org/encyclopedia/index.php/Heat_Conduction|title=Heat conduction|website=Thermal-FluidsPedia|publisher=Thermal Fluids Central}}</ref> 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. [[Уравнение теплопроводности|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.<ref name="Abbott"/>

=== Конвекция ===
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 [[Флюид (физика)|жидкостей]] и газов, процесс, который по сути является передачей тепла посредством [[массообмен]]а. Движение массы жидкости улучшает теплопередачу во многих физических ситуациях, таких как теплообмен между твердой поверхностью и жидкостью.<ref>
{{cite book
 |last=Çengel |first=Yunus
 |year=2003
 |title=Heat Transfer: A practical approach
 |url=https://books.google.com/books?id=nrbfpSZTwskC
 |edition=2nd
 |publisher=McGraw-Hill
 |location=Boston
 |isbn=978-0-07-245893-0
}}</ref> 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.<ref>{{Cite web|url=https://www.thermalfluidscentral.org/encyclopedia/index.php/Convective_Heat_Transfer|title=Convective heat transfer|website=Thermal-FluidsPedia|publisher=Thermal Fluids Central}}</ref> 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.<ref>
{{Cite web|url=http://www.engineersedge.com/heat_transfer/convection.htm|title=Convection — Heat Transfer|publisher=Engineers Edge|accessdate=2009-04-20}}</ref>

=== Тепловое излучение ===
[[Файл:Hot_metalwork.jpg|слева|мини| Раскаленный железный предмет, передающий тепло в окружающую среду посредством теплового излучения]]
[[Тепловое излучение]] передаётся через [[вакуум]] или любую [[Прозрачность среды|прозрачную]] [[Оптическая среда|среду]] ([[Твёрдое тело|твердую,]] [[Флюид (физика)|жидкую]] или [[газ]]ообразную). Такая передача энергии с помощью [[фотон]]ов [[Электромагнитное излучение|электромагнитных волн,]] подчиняющаяся тем же законам.<ref name="Geankoplis">{{Cite book|title=Transport Processes and Separation Principles|publisher=Prentice Hall|isbn=0-13-101367-X}}</ref>

[[Тепловое излучение]] — это энергия, излучаемая веществом в виде электромагнитных волн из-за наличия [[Тепловая энергия|тепловой энергии]] во всем веществе при температуре выше [[Абсолютный нуль температуры|абсолютного нуля]]. Тепловое излучение распространяется без материи в [[Вакуум|вакууме.]]<ref>{{Cite web|url=https://www.thermalfluidscentral.org/encyclopedia/index.php/Radiation|title=Radiation|website=Thermal-FluidsPedia|publisher=Thermal Fluids Central}}</ref>

Тепловое излучение существует благодаря беспорядочным движениям атомов и молекул в веществе. Поскольку эти атомы и молекулы состоят из заряженных частиц ([[протон]]ов и [[электрон]]ов), их движение приводит к испусканию [[Электромагнитное излучение|электромагнитного излучения]], которое уносит энергию от поверхности.

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

: <math> \phi_q=\epsilon \sigma T^4. </math>

Для [[Уравнение переноса излучения|переноса излучения]] между двумя телами уравнение выглядит следующим образом:

: <math> \phi_q=\epsilon \sigma F (T_a^4 - T_b^4), </math>

где

* <math>\phi_q</math> тепловой поток ,
* <math>\epsilon </math> — коэффициент излучения (равен единице для [[Абсолютно чёрное тело|абсолютно чёрного тела]]),
* <math>\sigma </math> — [[постоянная Стефана — Больцмана]] ,
* <math>F</math> коэффициент видимости между двумя поверхностями a и b,<ref>{{Cite book|title=Thermal Radiation Heat Transfer|publisher=Taylor and Francis}}</ref> и
* <math> T_a</math> и <math> T_b</math> — абсолютные температуры (в [[кельвин]]ах 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.<ref>{{Cite journal|author=Mojiri|first=A|year=2013|title=Spectral beam splitting for efficient conversion of solar energy—A review|journal=Renewable and Sustainable Energy Reviews|volume=28|pages=654–663|doi=10.1016/j.rser.2013.08.026}}</ref> 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 [[Гелиоконцентратор|концентрации солнечной энергии]], или выжигательной линзой.<ref>{{Cite journal|author=Taylor|first=Robert A.|title=Applicability of nanofluids in high flux solar collectors|url=http://digitalcommons.lmu.edu/cgi/viewcontent.cgi?article=1019&context=mech_fac|journal=Journal of Renewable and Sustainable Energy|date=March 2011|volume=3|issue=2|pages=023104|doi=10.1063/1.3571565}}</ref> Например, солнечный свет, отраженный от зеркал, используется в солнечной электростанции PS10, которая днем может нагреть воду до {{Convert|285|°C|°F}}. 

Достижимая температура на цели ограничена температурой горячего источника излучения. (<sup>Закон T 4</sup> позволяет обратному потоку излучения нагревать источник). [[Солнце|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 [[Мон-Луиская солнечная печь|солнечной печи Мон-Луи]] во Франции.<ref>Megan Crouse: [https://www.manufacturing.net/news/2016/07/gigantic-solar-furnace-can-melt-steel This Gigantic Solar Furnace Can Melt Steel] manufacturing.net, 28 July 2016, retrieved 14 April 2019.</ref>

== Коэффициент теплопередачи ==
Коэффициент теплопередачи показывает, какое [[количество теплоты]] переходит в единицу времени от более нагретого к менее нагретому теплоносителю через 1 [[Квадратный метр|м<sup>2</sup>]] теплообменной поверхности при разности температур между теплоносителями 1 [[Кельвин|К]]. Обычно выражается в [[Ватт|Вт]]/(м<sup>2</sup>·К), в справочниках также может приводиться величина потока за один час. В [[Сопротивление теплопередаче ограждающих конструкций|строительстве]] получила распространение обратная величина — «коэффициент термического сопротивления».

== Основное уравнение теплопередачи ==
Основное уравнение теплопередачи: количество теплоты, переданное от более нагретого тела к менее нагретому, пропорционально поверхности теплообмена, среднему температурному напору и времени:
: <math>Q' = K \cdot F \cdot \Delta t_\text{ср} \cdot \tau,</math>
где
: ''K'' — [[коэффициент теплопередачи]] вдоль поверхности теплообмена,
: ''F'' — поверхность теплообмена,
: Δ''t''{{sub|ср}} — средний температурный напор (средняя разность температур между теплоносителями),
: τ — время.

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


[[Категория:Термодинамика]]
[[Категория:Явления переноса]]
[[Категория:Теплопередача|*]]