Conceptul de transfer de căldură
Schimbul de căldură sau de transfer de căldură teorie numită știință care studiază legile de transfer de căldură în solide, lichide și gazoase corpurile.
Bazele de căldură au fost stabilite om de știință român
MV Lomonosov, la mijlocul secolului al XVIII-lea. creează o teorie mecanică a căldurii și elementele de bază ale legii de conservare și de transformare a materiei și energiei. Într-o dezvoltare ulterioară a doctrinei căldurii dezvoltate prin dispozițiile sale generale.
În prezent, prin transfer de căldură cu termodinamicii tehnice este bazele teoretice de căldură.
3.2. Principalele tipuri de transfer de căldură
Diverse organism poate schimba energie internă sub formă de căldură. Procesul de transfer al căldurii - este un proces spontan de transfer (de transfer) de căldură în spațiu cu o distribuție a temperaturii neuniforma. Diferența de temperatură - este o condiție necesară pentru schimbul de căldură, căldura se răspândește de la corpurile cu temperaturi mai ridicate la organismele la o temperatură mai joasă. de transfer de căldură în prezența diferențelor de temperatură poate fi efectuată într-un lichid, mediu solid, gazos, pe o graniță solidă cu mediul înconjurător, în două medii separate printr-un perete despărțitor.
Studiile arată că transferul de căldură este un proces complex. Cu toate acestea, din motive de simplitate, studiul, există trei tipuri de bază de transfer de căldură: conductivitate termică (conductie), convecție și radiație termică.
Se numește transfer termic conductiv de căldură în interiorul contiguă a corpului, microparticule (atomi, molecule, electroni) se deplasează în mod aleatoriu. Adică, particulele intră în contact, răspândirea de căldură. Se poate observa modul în care atunci când este încălzită tijă metalică cu un capăt de căldură se extinde treptat pe tija. Acest lucru se explică prin faptul că, capătul tijei într-o mișcare termică încălzită de molecule, atomi și electroni liberi sunt accelerate treptat, iar acest lucru înseamnă că energia cinetică internă lor este crescută. În ciocnirile din energia lor este transferată în jos arborele, ceea ce duce la răspândirea căldurii de-a lungul tijei. Fluidele (picaturii și gaz) procesul de transfer de căldură de conducție termică este foarte mică.
Convectie - transferul de căldură prin deplasarea de volume ale mediului de curgere (lichid sau gaz) în spațiul dintr-o regiune cu o temperatură în zona unei temperaturi diferite. Se face deosebirea între convecție liberă și forțată. Atunci când se produce libera circulație a fluidului prin convecție sub influența diferenței de densitate a părților individuale ale fluidului prin încălzire, de exemplu, transferul de căldură de la suprafața exterioară fierbinte a aerului rece în camera de baterie. În cazul în care mișcarea este cauzată în mod artificial ventilator, o pompă, un agitator, etc. o astfel de convecție forțată se numește. Astfel, distribuția de energie termică, adică, încălzirea întregii mase a lichidului, este mult mai rapid decât gratuit.
Radiația termică - procesul de transfer de căldură sub formă de unde electromagnetice cu o transformare dublă reciprocă - căldură în radiant și din spate.
necesar suport material, astfel de mediu nu trebuie să transmită transferul de căldură prin radiație la conductivitatea termică și convecție.
În schimb de căldură între două corpuri, energia internă a temperaturii mai mare a scade corpului și a corpului, cu o temperatură mai ridicată la aceeași rata crește. Procesul de transfer de căldură are loc mai intens cu atât mai mare diferența de temperatură dintre corpurile schimbul de energie. În absența acesteia, procesul de transfer de căldură se oprește și echilibru termic are loc.
Formele de mai sus de transfer de căldură, în multe cazuri, efectuate în comun de două, și mai mult - în trei moduri. De exemplu, schimbul de căldură între suprafața solidă și lichidul (sau gaz) are loc prin conducție și convecție ambele numite de transfer convectiv de schimb de căldură sau de căldură. La cazanele de abur în procesul de transfer al căldurii din gazele de ardere la un exterior conductele de încălzire suprafață angrena simultan toate cele trei tipuri de transfer termic - conducție, convecție și radiație termică. Din suprafața exterioară a conductelor interne de încălzire prin peretele metalic strat de funingine și stratul de căldură scală este transferată prin conducție. În cele din urmă, din suprafața interioară a țevii la căldura apei este transferată prin conducție și convecție. În calcule practice astfel de procese complexe, uneori, este util să se ia în considerare ca un întreg. De exemplu, transferul de căldură de la fluidul cald la peretele rece prin separarea lor se numește procesul de transfer de căldură.
Luați în considerare fiecare dintre cele trei moduri de transfer de căldură (conducție termică, convecție și radiație termică) precum și să le unească și proces complex de transfer de căldură.
proces termoconductor este indisolubil legată de distribuția temperaturii în interiorul corpului. Prin urmare, în studierea, trebuie să stabilească mai întâi conceptul de câmp de temperatură și gradientatemperatury.
Temperatura este cunoscută pentru a caracteriza starea termică a corpului și determină gradul de încălzit sale. Valorile de temperatură setată pentru toate punctele în spațiu, la un moment dat se numește câmpul de temperatură. Dacă temperatura se modifică în timp, câmpul se numește nestaționare (dependent de timp), iar dacă nu - Setați (staționare).
La orice domeniu de temperatură în organism sunt orientate întotdeauna aceeași temperatură. Locul geometric al punctelor care formează o suprafață izolată. Având în vedere că același punct în spațiu, în același timp, nu poate fi două temperaturi diferite, suprafața izoterme nu se intersectează unul cu celălalt; sau toate dintre ele sunt închise pe ele însele, sau se încheie la limitele corpului. Prin urmare, o modificare a temperaturii corpului se observă numai în direcțiile intersectate de suprafață izotermă (de exemplu, directia x, Fig. 1)
Figura 1. Determinarea gradientului de temperatură.
Astfel, schimbarea mai rapidă a temperaturii este obținută în direcția normală la suprafețele izoterme n. Limita modificare a temperaturii de raportul distanței dintre izotermele la temperatura normală se numește gradientul. = (1)
Gradientul de temperatură este un vector dirijat perpendicular pe suprafețele izoterme în direcția creșterii temperaturii. Gradientul de temperatură indică modul energic schimbare (brusc) în coloana temperatura corpului și este o importantă cantitate care determină multe fenomene fizice (apariția unor fisuri în corpul fragil încălzire neuniformă, deformare termică etc.)
Căldura transferată spontan numai în direcția de scăderea temperaturii. Cantitatea de căldură transferată prin orice suprafață izotermă pe unitatea de timp se numește un flux termic.
Fluxul de căldură pe unitatea de suprafață a unei suprafețe izotermă, numită densitatea fluxului termic:
Valorile Q și q sunt vectori direcționați de-a lungul normalei la suprafețele izoterme, în care direcția pozitivă este luată într-o direcție față de temperatura de reducere. Vectori încălziți debitului și gradient de temperatură sunt opuse.
Legea de bază a conducției căldurii (legea lui Fourier) este formulată după cum urmează: Densitatea fluxului de căldură este proporțională cu gradientul de temperatură: (3)
în care coeficientul de conductivitate termică ce caracterizează capacitatea organismelor de a conduce căldura și dependentă de compoziția chimică și structura fizică a materialului, temperatura, umiditatea și porozitatea. Umezeala, umplerea porilor corpului crește conductivitate termică și porozitatea dimpotrivă, o reduce ca mai poros corpul, cu atât mai mult aer este conținută și conductivitatea termică a aerului și, în general, gazele este redusă (20 - 25 de ori mai mică decât conductivitatea termică a apei) .
Valorile aproximative ale conductivității termice pentru diferite materiale sunt listate în Anexa Tabelul. 1.