- •Введение. Методологические основы гидрофизики
- •1. Исторические основы и структура гидрофизики как науки
- •2. Системно-методологические основы и проблемы гидрофизики
- •1. Молекулярная физика воды в трех ее агрегатных состояниях
- •1.1. Общие сведения
- •1.2. Строение молекулы воды
- •1.3. Понятие о молекулярно-кинетической теории вещества и воды
- •1.4. Структура воды в трех ее агрегатных состояниях
- •Молекулярный состав льда, воды и водяного пара, %
- •2. Физические свойства воды, водяного пара, льда и снега
- •2.1. Физические свойства воды
- •Приравняв (2.22) и (2.23), получим
- •2.2. Физические свойства водяного пара в атмосфере
- •2.3. Лед и его физические свойства
- •3. Физико-механические и теплофизические свойства льда и шуги.
- •Значения предела прочности льда, Па
- •2.4. Физические свойства снега и снежного покрова
- •2.5. Физико-механические процессы, протекающие в снежном покрове
- •3. Основные положения теплообмена
- •3.1. Теплота. Температура. Температурное поле
- •3.2. Тепловой поток. Коэффициент теплопроводности
- •3.3. Теплопередача и теплоотдача
- •3.4. Количественная оценка конвективной теплоотдачи
- •3.5. Количественная оценка лучистого теплообмена
- •3.6. Количественная оценка теплоты при изменении агрегатного состояния вещества
- •3.7. Количественная оценка теплопередачи
- •3.8. Дифференциальное уравнение теплопроводности
- •3.9. Дифференциальное уравнение теплопроводности с источником теплоты
- •3.10. Условия однозначности
- •3.11. Методы решения задач
- •3.12. Определение коэффициента теплопроводности
- •3.13. Определение коэффициента температуропроводности методом регулярного режима
- •3.14. Определение коэффициента температуропроводности по полевым наблюдениям
- •4. Стационарное температурное поле
- •4.1. Теплопроводность плоского тела
- •5. Гидротермический расчет водоемов и водотоков
- •5.1. Дифференциальное уравнение температурного поля турбулентного потока
- •5.2. Уравнение теплового баланса непроточного водоема
- •5.3. Годовой термический цикл водоемов
- •Периоды и фазы годового термического цикла (гтц) глубокого водоема
- •6. Конвективные течения в водоемах
3.3. Теплопередача и теплоотдача
Понятие теплопередача (теплообмен) охватывает совокупность явлений передачи теплоты из более нагретой подвижной среды в другую, менее нагретую, через разделяющую их твердую стенку. Например, теплопередача от воды к воздуху, между которыми расположена стенка. Твердая стенка может быть и многослойной. Например, при рассмотрении переноса теплоты от воды, движущейся по трубопроводу теплотрассы, к окружающему воздуху.
Теплоотдача также охватывает совокупность явлений переноса теплоты только между поверхностью твердого тела и жидкой или газообразной подвижной средой. В практике гидрологов и метеорологов часто встречаются задачи о теплообмене между двумя подвижными средами, исключая твердую стенку, — это случай теплоотдачи водной поверхностью в окружающую ее среду — воздух.
В широком понимании теплопередача и теплоотдача осуществляются теплопроводностью, конвекцией, лучистым теплообменом, при изменении агрегатного состояния вещества, биологических процессах в живых организмах и др. Способы передачи тепла (теплоперенос или теплопередача) в твердом теле и в жидкости различны.
Перенос теплоты вследствие теплопроводности подчиняется закону Фурье. Рассматриваемая форма переноса теплоты в основном присуща твердым телам, в которых теплота распространяется передачей кинетической энергии от одних микрочастиц к другим путем соударений; перемещение самих частиц в твердом теле, естественно, исключено. Теплопроводность имеет место также в жидкостях и газах (воздухе). Но в последних теплота передается также путем перемещения частиц, носителей тепловой энергии. Такой способ называется конвективным теплопереносом. Заметим, что в первом случае теплота передается, а носители теплоты, частицы жидкости, остаются на месте, в то время как во втором случае теплота переносится вместе с жидкостью. Таким образом, в жидких и газообразных средах теплопроводность проявляется в чистом виде лишь в том случае, когда наблюдается прямая стратификация плотности. Для воды такому состоянию плотности соответствует повышение температуры с высотой при ее значении более 4°С и понижение с высотой — при ее температуре менее 4°С.
Перенос теплоты конвекцией происходит в результате перемещения частиц теплоносителя и наблюдается только в жидких и газообразных средах. В зависимости от причины, побуждающей частицы жидкости перемещаться, различают свободную и вынужденную конвекции.
Свободной (естественной, плотностной) конвекцией называется движение жидкости (газа), вызываемое неоднородностью плотности частиц жидкости (газа), находящихся в поле тяготения. Поэтому свободно конвективный перенос теплоты обусловлен перемещением частиц жидкости лишь в силу изменения их плотности, что, в свою очередь, обусловлено нагреванием или охлаждением ее или изменением концентрации (солености). Например, если воду в сосуде, находящуюся при температуре выше 4°С, охлаждать сверху, то в воде возникнет свободная конвекция, т. е. активный перенос частиц воды снизу вверх. Одновременно будет происходить перенос более охлажденных частиц в обратном направлении. В этом случае наблюдается нестационарная свободная конвекция. Увеличение плотности поверхностных слоев водоема может произойти также за счет увеличения мутности, обусловленной притоками, или осолонения при испарении.
Вынужденной конвекцией называется движение жидкости (газа), вызываемое воздействием внешних сил (ветер, насос и т.д.), а также однородного поля массовых сил в жидкости (уклон и т.д.). Таким образом, перенос теплоты вынужденной конвекцией обусловлен турбулентным перемешиванием водных или воздушных масс потока, а также связан с переносом теплоносителя. При вынужденной конвекции осуществляется перенос тепла, связанный, например, с течением водных и воздушных потоков, с ветровым перемешиванием и ветровым течением водных масс суши. В отличие от свободной конвекции при вынужденной конвекции происходит полярный перенос водных масс, а не молекулярный, т. е. перенос больших объемов жидкости.
Таким образом, гидравлика жидкости (поле скоростей) при вынужденной конвекции мало зависит от температуры и поэтому может и должна определяться до начала теплового расчета; она является заданным условием решения тепловой задачи, в то время как гидравлика при свободной (естественной) конвекции прямо связана с тепловым режимом рассматриваемого водного объекта, и поэтому здесь вопросы гидравлики и термики должны рассматриваться совместно, что принципиально существенно усложняет задачу.
Часто имеет место одновременно вынужденная и свободная конвекция.
Третья форма передачи теплоты обусловлена лучистым (радиационным) теплообменом и совершается путем двойного превращения энергии: сперва из тепловой в электромагнитную в месте излучения, а затем, после того как она прошла весь путь в теплопрозрачной среде, обратно в тепловую в месте поглощения. Таким образом, эта форма передачи теплоты характеризуется тем, что часть энергии тела, определяемая температурой его поверхности, преобразуется в энергию теплового излучения и уже в таком виде передается в окружающее пространство. Встречая на своем пути другое тело, лучистая энергия частично отражается от его поверхности и частично поглощается им, т. е. проникает на некоторую его глубину, зависящую от прозрачности тела.
Скорости передачи теплоты указанными способами различны. Радиационным способом совершается практически мгновенная передача теплоты; так, в воздухе скорость передачи равна 300 000 км/с. При конвективном способе скорость передачи теплоты полностью зависит от скорости движения жидкости; так , например, в реке она может составлять 1-2 м/с.
Особая форма передачи теплоты имеет место в случае изменения агрегатного состояния вещества, например при кристаллизации воды и таянии льда, при конденсации водяного пара и испарении воды и т. д.
Биологические и химические процессы также сопровождаются тепловыми процессами. При кристаллизации и конденсации воды и биологических процессах происходит выделение теплоты, а при испарении воды, таянии льда — ее поглощение.