Теплопередача

Теплопередача — физический процесс передачи тепловой энергии от более горячего тела к менее горячему, либо непосредственно (при контакте), либо через посредника (проводника) или разделяющую перегородку (тела или среды) 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, и этот процесс является необратимым.

Виды теплопередачи

Всего существует 3 простых (элементарных) механизма передачи тепла:

• теплопроводность,
• конвекция,
• тепловое излучение.

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 твёрдое 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.

Адвекция

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

$\phi _{q}=v\rho c_{p}\Delta T$

где

• $\phi _{q}$ тепловой поток (Вт/м²),
• $\rho$ плотность вещества (кг/м³),
• $c_{p}$ — теплоёмкость при постоянном давлении (Дж/кг·К),
• $\Delta T$ — разница температур (К),
• $v$ 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 передаётся за счёт 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 твёрдого тела или между твёрдыми объектами, находящимися в тепловом контакте. Жидкости, особенно газы, обладают меньшей теплопроводностью. Контактная теплопроводность — исследование теплопроводности между соприкасающимися твёрдыми телами. 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). 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 остаётся 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.

Конвекция

Конвективная теплопередача, или просто конвекция, — процесс передачи тепла от одного объёма к другому за счёт 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 твёрдой поверхностью и жидкостью.

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 счёт объёмного потока текучей среды.

Процесс переноса тепла с потоком жидкости известен как адвекция, но чистая адвекция — 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 объёмные 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 насосы.

Тепловое излучение

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

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

Тепловое излучение — 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.

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

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

$\phi _{q}=\epsilon \sigma T^{4}.$

Для переноса излучения между двумя телами уравнение выглядит следующим образом:

$\phi _{q}=\epsilon \sigma F(T_{a}^{4}-T_{b}^{4}),$

где

• $\phi _{q}$ — тепловой поток,
• $\epsilon$ — коэффициент излучения (равен единице для абсолютно чёрного тела),
• $\sigma$ — постоянная Стефана — Больцмана,
• $F$ коэффициент видимости между двумя поверхностями a и b,
• $T_{a}$ и $T_{b}$ — 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. 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. Например, солнечный свет, отражённый от зеркал, используется в солнечной электростанции PS10, которая днём 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.

Коэффициент теплопередачи

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 теплопередачи

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

$Q'=K\cdot F\cdot \Delta t_{\text{ср}}\cdot \tau ,$

где

K — коэффициент теплопередачи вдоль поверхности теплообмена,

F — поверхность теплообмена,

Δt_ср — среднелогарифмический температурный напор (средняя разность температур между теплоносителями),

τ — время.

Литература

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.