Теплообмен

Виды теплообмена: коэффициент теплопередачи

Теплообмен

Любое материальное тело обладает такой характеристикой как теплота, которая может увеличиваться и уменьшаться. Теплота не является материальной субстанцией: как часть внутренней энергии вещества она возникает вследствие движения и взаимодействия молекул.

Поскольку теплота различных веществ может отличаться, происходит процесс передачи тепла от более нагретой субстанции к веществу с меньшим количеством теплоты. Этот процесс носит название теплопередача.

Основные виды теплообмена и механизмы их действия мы рассмотрим в этой статье.

Определение теплопередачи

Теплообмен, или процесс переноса температуры, может происходить как внутри материи, так и от одного вещества к другому. При этом интенсивность теплообмена во многом зависит от физических свойств материи, температуры веществ (если в теплообмене участвуют несколько субстанций) и законов физики.

Теплопередача – это процесс, который всегда протекает в одностороннем порядке. Главный принцип теплообмена заключается в том, что наиболее нагретое тело всегда отдаёт тепло объекту с меньшей температурой. Например, при глажке одежды горячий утюг отдаёт тепло брюкам, а не наоборот.

Теплопередача – явление, зависимое от временного показателя, характеризующее необратимое распространение тепла в пространстве.

Механизмы теплопередачи

Механизмы теплового взаимодействия веществ могут приобретать разные формы. Известны три вида теплообмена в природе:

  1. Теплопроводность – механизм межмолекулярной передачи тепла из одного участка тела в другой или в иной объект. Свойство основывается на неоднородности температуры в рассматриваемых субстанциях.
  2. Конвекция – теплообмен между текучими средами (жидкая, воздушная).
  3. Лучевое воздействие – передача тепла от нагретых и нагреваемых за счёт своей энергии тел (источников) в виде электромагнитных волн с постоянным спектром.

Рассмотрим перечисленные виды теплообмена более подробно.

Теплопроводность

Чаще всего теплопроводность наблюдается в твёрдых телах. Если под воздействием каких-либо факторов у одного и того же вещества появляются участки с разными температурами, то тепловая энергия из более нагретого участка перейдёт к холодному. Подобное явление в некоторых случаях можно наблюдать даже визуально.

Например, если взять металлический стержень, скажем, иголку, и нагреть его на огне, то через какое-то время увидим, как тепловая энергия передаётся по иголке, образуя на определённом участке свечение. При этом в месте, где температура выше, свечение ярче и, наоборот, где t ниже, оно темнее.

Теплопроводность может наблюдаться также между двумя телами (кружкой горячего чая и рукой)

Интенсивность передачи теплового потока зависит от многих факторов, соотношение которых выявил французский математик Фурье.

К этим факторам относится в первую очередь градиент температуры (соотношение разности температур на концах стержня к расстоянию от одного конца к другому), площадь сечения тела, а также коэффициент теплопроводности (у всех веществ он разный, но самый высокий наблюдается у металлов).

Самый значительный коэффициент теплопроводности наблюдается у меди и алюминия. Неудивительно что именно эти два металла чаще используются в изготовлении электропроводов. Следуя закону Фурье, величину теплового потока можно увеличить или уменьшить, изменив один из этих параметров.

Конвекция, свойственная в основном для газов и жидкостей, имеет два компонента: межмолекулярную теплопроводность и движение (распространение) среды.

Механизм действия конвекции происходит следующим образом: при повышении температуры текучей субстанции её молекулы начинают более активное движение и при отсутствии пространственных ограничений объём вещества увеличивается.

Следствием данного процесса будет уменьшение плотности субстанции и её движение вверх. Яркий пример конвекции – это движение нагретого радиатором воздуха от батареи к потолку.

Различают свободные и вынужденные конвективные виды теплообмена.

Теплопередача и движение массы при свободном типе происходит за счёт неоднородности субстанции, то есть горячая жидкость поднимается над холодной естественным образом без оказания влияния внешних сил (например, обогрев комнаты посредством центрального отопления). При вынужденной конвекции движение массы происходит под действием внешних сил, например, помешивание чая ложкой.

Лучистый теплообмен

Лучистая или радиационная теплопередача может происходить без контакта с другим объектом или субстанцией, поэтому возможна даже в безвоздушном пространстве (вакууме). Радиационный теплообмен присущ всем телам в большей или меньшей степени и проявляется в виде электромагнитных волн с непрерывным спектром. Яркий тому пример – солнечные лучи.

Механизм действия выглядит следующим образом: тело непрерывно излучает определённое количество теплоты в окружающее его пространство. Когда эта энергия попадает на другой объект или субстанцию, часть её поглощается, вторая часть проходит насквозь, а третья отражается в окружающую среду.

Любой объект может как излучать тепло, так и поглощать, при этом тёмные вещества способны поглощать больше тепла, чем светлые.

Комбинированные механизмы теплопередачи

В природе виды процессов теплообмена редко встречаются по отдельности. Гораздо чаще их можно наблюдать в совокупности.

В термодинамике эти сочетания даже имеют названия, скажем, теплопроводность + конвекция – это конвективный теплообмен, а теплопроводность + тепловое излучение называют радиационно-кондуктивной теплопередачей. Кроме этого, выделяют такие комбинированные виды теплообмена, как:

  • Теплоотдача – движение тепловой энергии между газом или жидкостью и твёрдым веществом.
  • Теплопередача – передача t от одной материи к другой через механическое препятствие.
  • Конвективно-лучистый теплообмен образуется при совмещении конвекции и теплового излучения.

Виды теплообмена в природе (примеры)

Теплообмен в природе играет огромную роль и не ограничивается нагреванием земного шара солнечными лучами. Обширные конвекционные потоки, такие как передвижение воздушных масс, во многом определяют погоду на всей нашей планете.

Теплопроводность ядра Земли приводит к появлению гейзеров и извержению вулканических пород. Это лишь малая часть примеров теплообмена в глобальных масштабах. В совокупности они образуют виды конвективного теплообмена и радиационно-кондуктивные типы теплопередачи необходимые для поддержания жизни на нашей планете.

Использование теплообмена в антропологической деятельности

Тепло – это важная составляющая почти всех производственных процессов. Сложно сказать, какой вид теплообмена человеком используется больше всего в народном хозяйстве. Наверное, все три одновременно. Благодаря процессам теплопередачи происходит выплавка металлов, производство огромного количества товаров, начиная с предметов повседневного использования и заканчивая космическими судами.

Крайне важное значение для цивилизации имеют тепловые агрегаты, способные преобразовывать тепловую энергию в полезную силу. Среди них можно назвать бензиновые, дизельные, компрессорные, турбинные установки. Для своей работы они используют различные виды теплообмена.

Источник: https://FB.ru/article/302088/vidyi-teploobmena-koeffitsient-teploperedachi

Теплообмен

Теплообмен

Теплообмен — это процесс изменения внутренней энергии без совершения работы над телом или самим телом.
Теплообмен всегда происходит в определенном направлении: от тел с более высокой температурой к телам с более низкой.Когда температуры тел выравниваются, теплообмен прекращается.

Теплообмен может осуществляться тремя способами:

  1. теплопроводностью
  2. конвекцией
  3. излучением

Конвекция

Конвекция — это процесс теплопередачи, осуществляемый путем переноса энергии потоками жидкости или газа.
Пример явления конвекции: небольшая бумажная вертушка, поставленная над пламенем свечи или электрической лампочкой, под действием поднимающегося нагретого воздуха начинает вращаться.

Это явление можно объяснить таким образом. Воздух, соприкасаясь с теплой лампой, нагревается, расширяется и становится менее плотным, чем окружающий его холодный воздух. Сила Архимеда, действующая на теплый воздух со стороны холодного снизу вверх, больше, чем сила тяжести, которая действует на теплый воздух.

В результате нагретый воздух «всплывает», поднимается вверх, а его место занимает холодный воздух.
При конвекции энергия переносится самими струями газа или жидкости.
Различают два вида конвекции:

  • естественная (или свободная)

Возникает в веществе самопроизвольно при его неравномерном нагревании.

При такой конвекции нижние слои вещества нагреваются, становятся легче и всплывают, а верхние слои, наоборот, остывают, становятся тяжелее и опускаются вниз, после чего процесс повторяется.
Наблюдается при перемешивании жидкости мешалкой, ложкой, насосом и т. д.

Для того, чтобы в жидкостях и газах происходила конвекция, необходимо их нагревать снизу.
Конвекция в твердых телах происходить не может.

Излучение

Излучение — электромагнитное излучение, испускаемое за счет внутренней энергии веществом, находящимся при определенной температуре.
Мощность теплового излучения объекта, удовлетворяющего критериям абсолютно черного тела, описывается законом Стефана — Больцмана.


Отношение излучательной и поглощательной способностей тел описывается законом излучения Кирхгофа.
Передача энергии излучением отличается от других видов теплопередачи: она может осуществляться в полном вакууме.

Излучают энергию все тела: и сильно нагретые, и слабо, например тело человека, печь, электрическая лампочка и др. Но чем выше температура тела, тем больше энергии передает оно путем излучения. При этом энергия частично поглощается этими телами, а частично отражается.

При поглощении энергии тела нагреваются по-разному, в зависимости от состояния поверхности.
Тела с темной поверхностью лучше поглощают и излучают энергию, чем тела, имеющие светлую поверхность.

В то же время тела с темной поверхностью охлаждаются быстрее путем излучения, чем тела со светлой поверхностью. Например, в светлом чайнике горячая вода дольше сохраняет высокую температуру, чем в темном.

Другие заметки по физике

Источник: http://edu.glavsprav.ru/info/teploobmen

Теплообмен – основные виды в физике, суть и примеры

Теплообмен

Передача тепла или теплообмен это процесс распространения внутренней энергии в пространстве с разными температурами.

Теплопроводность это способность веществ и тел проводить энергию (тепло) от частей с высокой температурой к частям с более низкой. Такая способность существует за счет движения частиц. Энергия может передаваться между телами и внутри одного тела. Нагревая в пламени один конец гвоздя, мы рискуем обжечься о другой его конец, не находящийся в пламени.

В начале развития науки о свойствах тел и веществ считалось, что тепло передается путем перетекания «теплорода» между телами. Позже, с развитием физики, теплопроводность получила объяснение взаимодействием частиц вещества. Электроны в нагреваемом над огнем участке гвоздя движутся активнее и через столкновения отдают тепло медленным электронам в части, которая не подвергается нагреванию.

Виды теплообмена и способы передачи тепла

В физике выделяют несколько видов теплообмена:

  1. Теплопроводность – свойство материалов передавать через свой объем поток тепла путем обмена энергией движения частиц.

  2. Конвекция – перенос тепла, осуществляемый перемещением неравномерно прогретых участков среды (газа, жидкости) в пространстве.

  3. Излучение – в данном случае перенос тепла в вакууме или газовой среде осуществляется электромагнитными волнами.

Рассмотрим сущность и назначение каждого из видов теплообмена.

Виды теплообмена

Теплообмен

Определение 1

Теплообменом называют процесс теплопереноса, который протекает самопроизвольно, причиной его является неоднородное температурное поле в пространстве.

Определение 2

Температурным полем называют систему значений температуры в рассматриваемый момент времени для всех точек пространства.

Уравнение поля температур в общем виде записывают как:

$T=F(x,y,z,\tau),$

где $T$ – температура; $x,y,z$ – координаты; $\tau$ – время.

Если поле температур не изменяется с течением времени, то оно считается стационарным.

Выделяют три вида теплообмена:

  1. теплопроводность;
  2. конвекция (конвективный обмен теплом);
  3. излучение (теплообмен при излучении).

Теплопроводность

Определение 3

Теплопроводностью называют теплоперенос, который осуществляют молекулы и атомы вещества при хаотическом (тепловом) их движении.

Допустим, что вдоль оси Z в веществе имеется градиент температуры. Тогда в этой среде появляется поток тепла, который удовлетворяет уравнению:

$ q=-\kappa \frac{dT}{dz}S (1)$, где:

  • $q$ – поток тепла сквозь поверхность $S$, которая перпендикулярна оси $Z$;
  • $\frac{dT}{dz}$ – проекция температурного градиента на ось $Z$;
  • $\kappa$ – теплопроводность (коэффициент, зависящий от свойств вещества).

Знак минус в уравнении (1) обозначает то, что поток тепла происходит в направлении уменьшения температуры, то есть получается, сто знаки потока тепла и градиента температуры противоположные.

Замечание 1

Выражение (1) называют уравнением Фурье.

Поток тепла направлен нормально к изотермической поверхности. Его положительное направление аналогично направлению наибольшего убывания температуры.

Теплопроводность $\kappa$ численно равна количеству теплоты, проходящей за единичное время сквозь единицу изотермической поверхности, если градиент температуры равен одному кельвину на метр.

Чем больше $\kappa$, тем больше возможность среды к проведению тепла.

Теплопроводность зависит от:

  • температуры у твердых тел;
  • температуры, давления у жидкостей и газов.

У металлов теплопроводность уменьшается при увеличении температуры (исключение составляет алюминий).

Теплопроводность металлов изменяется от 2,3 до 420 Вт/(мК).

  1. У диэлектриков $\kappa$ с ростом температуры увеличивается. Это связано со структурой вещества, которое не является монолитом. На теплопроводность пористых материалов оказывает влияние влажность. При увеличении влажности растет теплопроводность.
  2. Для газов при увеличении температуры теплопроводность увеличивается, при этом у данных веществ теплопроводность почти не зависит от давления.
  3. У жидкостей при увеличении температуры $\kappa$ уменьшается (исключение – вода). Для воды при увеличении температуры от 0 до $1500C$ $\kappa$ растет, при дальнейшем увеличении температуры $\kappa$ уменьшается.

Конвекция

Определение 4

Конвективным теплообменом (конвекцией) называют перенос тепла, при относительном перемещении макроскопических частей жидкостей или жидкостей по отношению к твердым телам.

На практике конвекция сопровождается переносом тепла молекулами, а иногда и лучистым теплообменом.

Практически значимой является конвекция:

  • жидкости и поверхности твердого тела;
  • газа и поверхности жидкости.

Выделяют два вида конвекции:

  • свободную (естественную);
  • вынужденную.

При свободной конвекции сила движения вызвана градиентом плотности жидкости в том месте, где она контактирует с поверхностью тела, обладающего температурой отличной от температуры вдали от него.

Свободная конвекция вызывается действием неоднородного поля внешних массовых сил (поля гравитации, инерции, электромагнитного поля). В связи с разными плотностями возникают архимедовы силы. Подобная конвекция идет в сосуде с жидкостью, которую нагревают при помощи спирали находящейся в ней.

Вынужденная конвенция идет при воздействии внешней поверхностной движущей силы, приложенной на границе системы, или однородного поля массовых сил, приложенных внутри жидкости.

В этом случае происходит процесс обтекания жидкостью поверхности с более высокой (низкой) температурой, чем температура самой жидкости.

Поскольку при вынужденной конвекции скорость перемещения жидкости выше, чем при свободной конвекции, следовательно, при том же изменении температур, предается большее количество теплоты. Увеличение потока тепла связывают с необходимостью расходования энергии, затрачиваемой на перемещение жидкости.

Конвективный перенос тепла имеется везде:

  • в атмосфере Земли;
  • в водах морей и океанов;
  • в процессе обмена теплом с окружающей средой человека и животного;
  • в технике в тепловых двигателях, котлах, печах, холодильниках и т.д.

Плотность потока тепла в процессе передачи тепла пропорциональна изменению температуры между жидкостью и поверхностью тела:

$q=\alpha|T_1-T_2 |(2),$

где $\alpha$ – коэффициент теплообмена.

Коэффициент теплообмена зависит от:

  • поля действующих сил (типа конвекции);
  • режима течения жидкости (ламинарное течение или турбулентное);
  • скорости перемещения жидкости;
  • геометрии твердого тела;
  • физических параметров жидкости, например, теплопроводности, теплоемкости, плотности, вязкости.

Теплообмен излучением

Определение 5

Перенос теплоты при помощи электромагнитного поля называют теплообменом излучением.

Тепловое излучение (лучистый теплообмен) является сложным процессом, в котором преобразование энергии происходит два раза:

  • тепловая энергия переходит в энергию электромагнитных волн;
  • движение волн;
  • поглощение электромагнитных волн веществом или телом.

Процесс излучения происходит в виде испускания (поглощения) фотонов.

При излучении электромагнитное поле уносит от источника излучения энергию. Плотность потока энергии данного поля характеризуют при помощи вектора Пойнтинга.

Излучение связано с температурой. При увеличении температуры растет внутренняя энергия тела, следовательно, увеличивается интенсивность излучения.

Кроме этого излучение зависит от вещества, состояния поверхности тела. Для газов излучение связано с толщиной излучающего слоя и давления.

Многие твердые тела излучают все длины волн. Чистые металлы и газы способны излучать энергию определенных интервалов длин волн (селективное излучение).

Источник: https://spravochnick.ru/fizika/vidy_teploobmena/

Ваш педагог
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: