Поняття про теплообміні і його видах

Згідно з другим законом термодинаміки, якщо в тілі або в будь-якої термодинамічної системи тел виникала різниця температур, то з області з більш високою температурою в область з більш низькою температурою буде передаватися теплова енергія. У цьому випадку говорять, що між зазначеними областями виник теплообмін.

Відомі закони і залежності термодинаміки дозволяють визначити як кількість теплової енергії, що передається в результаті теплообміну, так і температуру тіл, що беруть участь в ньому. Ці закони, крім того, дозволяють знайти також швидкість передачі теплової енергії і час, протягом якого відбудеться вирівнювання температур.

Зазначені процеси досліджує розділ теплотехніки - теорія теплообміну.

Тіла або області тел обмінюються між собою тепловою енергією трьома способами:

На цих трьох способах засновані всі види теплообміну. Основних видів теплообміну п'ять.

Два простих виду теплообміну:

- теплопровідність (назва цього виду збігається з назвою способу, за допомогою якого цей обмін здійснюється)

Розглянемо способи обміну тепловою енергією.

Теплопровідність - спосіб теплообміну, заснований на передачі енергії теплового руху мікрочастинок шляхом їх зіткнень. Мікрочастинки рухаються зі швидкостями, пропорційними їх абсолютній температурі. В результаті їх зіткнень відбувається передача теплової енергії в окремо взятому тілі з області з більш високою температурою в область з більш низькою температурою. Передача теплової енергії від одного тіла до іншого в вакуумі здійснюється тільки при контакті тіл.

Отже, теплопровідність - це перенесення теплової енергії зіткненням мікрочастинок. У металах, наприклад, цими частками є вільні електрони, в рідинах і газах - молекули.

Конвекція (від латинського convectio - принесення, доставка) - спосіб теплообміну, при якому передача теплової енергії здійснюється шляхом перенесення макроскопічних тіл з областей тіла з високою температурою в області з низькою температурою. Конвекція властива тільки рідин і газів. Перенесення обумовлений градієнтом тиску в рідині або газі, який викликаний наявністю або сил тяжеcті (природна конвекція), або джерел енергії, що приводять рідину або газ в рух, наприклад, насосів, вентиляторів і т. П. (Вимушена конвекція).

Природна конвекція викликається силами Архімеда, які «виштовхують» із зони нагріву більш гарячі, а, отже, як правило, і більш легкі області рідини, які, поступаючись місцем більш холодним областям, переносять теплову енергію.

Вимушена конвекція тим інтенсивніше, чим більше градієнт тиску, який створюється в рідині, і чим менше її в'язкість.

Природна конвекція в порівнянні з теплопровідністю значно швидше здійснює теплообмін в рідини, так як при наявності першої з областей з високою температурою в області з низькою температурою переносяться значні маси нагрітої рідини або газу. Це робить теплообмін більш ефективним, ніж перенесення теплової енергії зіткненням мікрочастинок.

Приклад 10.1. Якщо при наявності сил тяжіння нагрівати рідина або газ в посудині не внизу посудини, як це зазвичай робиться, а вгорі, то конвекція буде відсутній. Прогрів рідин або газів в цьому випадку вкрай сповільнюється внаслідок їх незначної теплопровідності.

У свою чергу, вимушена конвекція викликає ще більш інтенсивний теплообмін, ніж природна, так як перша призводить до більш високих швидкостей перемішування рідин і газів, ніж остання.

Теплове випромінювання - спосіб теплообміну, заснований на здатності всіх тіл при певних умовах випромінювати енергію у вигляді електромагнітних хвиль (фотонів) і частинок речовини (наприклад, нейтронів, осколків ядер при ядерних реакціях і т. П.). При цьому випромінює тіло втрачає теплову енергію і при цьому охолоджується, а тіло, яке поглинає випромінювання, нагрівається.

Цей спосіб є єдиним способом передачі теплової енергії від одних тіл до інших в вакуумі.

Розглянемо основні види теплообміну.

Прості види теплообміну - теплопровідність і теплове випромінювання - не вимагають пояснень. Варто тільки відзначити, що тепловим випромінюванням називається вид теплообміну, заснований на випромінюванні і поглинанні теплової енергії тільки у вигляді електромагнітних хвиль (фотонів). Теплообмін, заснований на випромінюванні і поглинанні частинок речовини (нейтронів і т. П.), Тут не розглядається.

Складні види теплообміну вимагають пояснень.

Так, конвективний теплообмін - це складний вид обміну тепловою енергією, заснований на двох способах теплообміну: конвекції і теплопровідності. Необхідність розгляду конвекції і теплопровідності в одному виді теплообміну обумовлена ​​тим, що при конвекції (перемішуванні і перенесення) обов'язково має місце контакт макрочасток, який призводить до виникнення теплопровідності. Зворотне умова не дотримується, це добре видно в прикладі 10.1.

Тепловіддача - складний вид теплообміну між поверхнею твердого тіла і рідиною (або газом); контактує з цією поверхнею. Цей вид теплообміну можна розглядати як найбільш часто зустрічається випадок конвективного теплообміну між твердим тілом і рідиною.

Теплопередача - складний вид теплообміну між двома рідинами через тверду стінку. В основі його лежать явища теплопровідності через стінку і тепловіддачі між стінкою і рідиною.

На практиці часто зустрічаються випадки більш складних видів обміну тепловою енергією, заснованих на всіх трьох способах теплообміну. У цих випадках, однак, складні види теплообміну поділяють на простіші. Зокрема, теплове випромінювання або, як його ще називають, променистий теплообмін, розглядають незалежно від інших видів обміну теплом.

Введемо ряд понять і визначень, якими будемо користуватися в теорії теплообміну.

Кількісною характеристикою перенесення теплоти є питомий тепловий потік.

Питомий тепловий потік - це кількість теплової енергії, що передається через поверхню з одиничною площею в одиницю часу:

Зауважимо, що q є векторною величиною і має напрямок у бік пониження температури.

Сукупність значень температури у всіх точках простору (або тіла) в певний момент часу називається температурним полем.

Розрізняють стаціонарні (температура яких у всіх точках не змінюється з плином часу t) і нестаціонарні температурні поля (для яких T = f (t)).

Поверхні простору, всі крапки яких мають однакову температуру, називаються ізотермічними.