Три элементарных вида теплообмена, их характеристики.

Тепловое излучение, описание процесса, физическая сущность теплового излучения, причины, влияющие на процесс. Что является носителем тепловой энергии?

Лучистая энергия возникает за счет энергии других видов в результате сложных молекулярных и внутриатомных процессов. Природа всех лучей одинакова. Они представляют собой распространяющиеся в пространстве электромагнитные волны. Источником теплового излучения является внутренняя энергия нагретого тела. Количество лучистой энергии в основном зависит от физических свойств и температуры излучающего тела. Электромагнитные волны различаются между собой длиной волны. В зависимости от длины волны λ лучи обладают различными свойствами. Из всех лучей наибольший интерес для теплопередачи представляют тепловые лучи с λ = (0,8 – 40) микрон (мк). Лучеиспускание свойственно всем телам, и каждое из них излучает и поглощает энергию непрерывно, если температура его не равна 0°К. При одинаковых или различных температурах между телами, расположенными как угодно в пространстве, существует непрерывный лучистый теплообмен. При температурном равновесии тел количество отдаваемой лучистой энергии будет равно количеству поглощаемой лучистой энергии. Спектр излучения большинства твердых и жидких тел непрерывен. Эти тела испускают лучи всех длин волн от малых до больших. Спектр излучения газов имеет линейчатый характер. Газы испускают лучи не всех длин волн. Такое излучение называется селективным. Излучение газов носит объемный характер. Суммарное излучение с поверхности тела по всем направлениям полусферического пространства и по всем длинам волн спектра называется интегральным или полным лучистым потоком (Q). Интегральный лучистый поток, излучаемый единицей поверхности по всем направлениям, называется излучательной способностью тела и обозначается Е = dQ / dF, [вт/м² ] где dQ - элементарный лучистый поток, испускаемый элементом поверхности dF. Каждое тело способно не только излучать, но и отражать, поглощать и пропускать через себя падающие лучи от другого тела. Если обозначить общее количество лучистой энергии, падающей на тело, через Q, то часть энергии, равная А, поглотится телом, часть, равная R, отразится, а часть, равная D, пройдет сквозь тело. Отсюда Q = QA + QR + QD, или A + R + D = 1. Величину А называют коэффициентом поглощения. Он представляет собой отношение поглощенной лучистой энергии ко всей лучистой энергии, падающей на тело. Величину R называют коэффициентом отражения. R есть отношение отраженной лучистой энергии ко всей падающей. Величину D называют коэффициентом проницаемости. D есть отношение прошедшей сквозь тело лучистой энергии ко всей лучистой энергии, падающей на тело. Для большинства твердых тел, практически не пропускающих сквозь себя лучистую энергию, А + R = 1.

Три элементарных вида теплообмена, их характеристики.

Согласно второму закону термодинамики, если в теле или в какой-либо термодинамической системе тел возникала разность температур, то из области с более высокой температурой в область с более низкой температурой будет передаваться тепловая энергия. В этом случае говорят, что между указанными областями возник теплообмен. Известные законы и зависимости термодинамики позволяют определить как количество тепловой энергии, передаваемой в результате теплообмена, так и температуру тел, участвующих в нем. Эти законы, кроме того, позволяют найти также скорость передачи тепловой энергии и время, за которое произойдет выравнивание температур. Указанные процессы исследует раздел теплотехники — теория теплообмена. Тела или области тел обмениваются между собой тепловой энергией тремя способами: Теплопроводность — способ теплообмена, основанный на передаче энергии теплового движения микрочастиц путем их соударений. Микрочастицы движутся со скоростями, пропорциональными их абсолютной температуре. В результате их столкновений происходит передача тепловой энергии в отдельно взятом теле из области с более высокой температурой в область с более низкой температурой. Передача тепловой энергии от одного тела к другому в вакууме осуществляется только при контакте тел. Итак, теплопроводность — это перенос тепловой энергии соударением микрочастиц. В металлах, например, этими частицами являются свободные электроны, в жидкостях и газах — молекулы. Конвекция — способ теплообмена, при котором передача тепловой энергии осуществляется путем переноса макроскопических тел из областей тела с высокой температурой в области с низкой температурой. Конвекция свойственна только жидкостям и газам. Перенос обусловлен градиентом давления в жидкости или газе, который вызван наличием либо сил тяжеcти (естественная конвекция), либо источников энергии, приводящих жидкость или газ в движение, например, насосов, вентиляторов и т. п. (вынужденная конвекция). Тепловое излучение — способ теплообмена, основанный на способности всех тел при определенных условиях излучать энергию в виде электромагнитных волн (фотонов) и частиц вещества. При этом излучающее тело теряет тепловую энергию и при этом охлаждается, а тело, которое поглощает излучение, нагревается.

22. Теплопроводность. Дать характеристику этого вида теплообмена. Коэффициент теплопроводности, его физическая сущность. Теплопроводность — передача тепла путем непосредственного соприкосновения (контакта) частиц тепла с различной температурой. При теплопроводности температура внутри тела различна и непрерывна между соприкасающимися частицами тела. Мгновенное значение температуры во всех точках тела для какого-либо момента времени называется температурным полем данного тела. Температурное поле может быть переменным (нестационарным) и постоянным (стационарным) во времени и иметь различные значения температуры в трех, двух и одном измерениях пространства. В соответствии с этим температурное поле называется трех-, двух- и одномерным температурным полем. Температурное поле может быть изображено посредством изотермических поверхностей и линий, соединяющих точки тела с одинаковой температурой. Предел отношения температуры ∆t к расстоянию ∆x называется температурным градиентом, который обозначается lim и имеет размерность в град/м. Температурный градиент является векторной величиной и характеризует степень изменения температуры на единицу длины в направлении ее возрастания. Тепловой поток является также вектором, направление которого противоположно вектору температурного градиента и совпадает с направлением переноса тепла, а абсолютная величина его выражает интенсивность теплопередачи. Тепловой поток (интенсивность теплопередачи посредством теплопроводности) пропорционален температурному градиенту (закон Фурье). q= -ƛ(dt/dx) где q - тепловой поток в ккал/(м*ч); λ - коэффициент пропорциональности, называемый коэффициентом теплопроводности; dt и dx - температурный градиент. lim= dt/dx. λ = qδ/t1-t2 где q - тепловой поток в ккал/м² *ч; δ - толщина стенки в м; t1-t2 − - разность температуры между противоположными поверхностями стенки в град; λ - коэффициент теплопроводности материала в ккал/м ч град.

23. Основной закон теплопроводности. Величины, влияющие на процесс теплопроводности. Что является носителем энергии? Всякое физическое явление протекает во времени, пространстве и связано с понятием поля (температур, давлений, потенциала). Процесс теплопроводности связан с распределением температур внутри тела. Температу­ра характеризует степень нагрева и тепловое состояние тела. Совокупность значений температур в различных точках пространства в различные моменты времени называется температурным полем. Если температура конкретной точки тела зависит только от координат T = f (x, y, z), то такое температурное поле называется стационарным, а если от координат и времени T = f (x, y, z, х) - нестационарным. Различают стационар­ное (независящее от времени) и нестационарное (зависящее от времени) поле температур, а также одно-, двух- и трехмерное поле, которое характе­ризуется одной, двумя или тремя координатами. Изотермическая поверхность - это геометрическое место точек оди­наковой температуры. Любая изотермическая поверхность разделяет тело на две области: с большей и меньшей температурой. Теплота переходит через изотермическую поверхность в область более низкой температуры. Количество теплоты A Q (Дж), проходящее в единицу времени Дх (с) через произвольную изотермическую поверхность, называется тепловым пото­ком Q, Дж/с (Вт). В общем случае тепловой поток может совпадать или не совпадать с линией тока теплоты, может изменяться вдоль линии тока теп­лоты или оставаться постоянным. Значения теплового потока могут зави­сеть или не зависеть от времен. Интенсивность теплообмена характеризуется плотностью теплового потока. Плотностью теплового потока q (или удельным тепловым пото­ком) называется количество теплоты A Q (Дж), проходящее через единицу поверхности F (м²) в единицу времени Дх (с): q = Д Q /Дх F, Дж/(м².с) или Вт/м². Следовательно, плотность теплового потока q это тепловой поток Q (Вт), отнесенный к единице поверхности F (м²): q = Q/F, Вт/м². Французский ученый Жан Батист Фурье, установил, что для изотропных (твердых) сред количество передаваемой теплоты A Q (Дж) пропорционально падению температуры (-дT/дn), времени Дх (с) и площади сечения F (м²), перпендикулярного направлению распространения теплоты. Матем. выражение закона теплопроводности Фурье: _A Q = -λ T F_A τ или Q = -λ T F, или q = -λ/ T.