1.Общие сведения. Способы переноса тепла.

Процесс переноса тепла, происходящий между телами, имеющими раз­личную температуру, называется теплообменом. Его движущей силой являет­ся разность температур между более и менее нагретыми телами. Тела, участ­вующие в теплообмене, называются теплоносителями. Различают три способа распространения тепла: теплопроводность, конвекцию и тепловое излучение.

Теплопроводность представляет собой перенос тепла от более к менее на­гретым участкам тела вследствие теплового движения и взаимодействия микро­частиц, непосредственно соприкасающихся друг с другом. В твердых телах теп­лопроводность обычно является основным видом распространения тепла.

Конвекцией называют перенос тепла вследствие движения и перемеши­вания макроскопических объемов газа или жидкости. Перенос тепла возможен в условиях свободной конвекции, обусловленной разностью плотностей в раз­личных точках объема жидкости, возникающей вследствие неодинаковых тем­ператур в них, или в условиях вынужденной конвекции, когда происходит при­нудительное движение всего объема жидкости, например, при перемешивании ее мешалкой.

Тепловое излучение - процесс распространения электромагнитных коле­баний с различной длиной волн, обусловленный тепловым движением атомов и молекул излучающего тела. Все тела способны излучать энергию, которая по­глощается другими телами и снова превращается в тепло.

Теплоотдача - это перенос тепла от стенки к газообразной (жидкой) сре­де или в обратном направлении. Теплопередача - это процесс передачи тепла от более нагретой к менее нагретой жидкости (газу) через разделяющую их по­верхность или твердую стенку.

В непрерывнодействующих аппаратах температуры в различных точках не изменяются во времени и протекающие процессы теплообмена являются ус­тановившимися (стационарными). В периодически действующих аппаратах, где температуры меняются во времени, осуществляются нестационарные процессы теплообмена.

Передача тепла теплопроводностью

Процесс передачи тепла теплопроводностью описывается с помощью закона Фурье, согласно которому количество тепла dQ, передаваемое посред­ством теплопроводности через элемент поверхности dF, перпендикулярный те­пловому потоку, за время dτ прямо пропорционально температурному градиен­ту dt/dn , поверхности dF и времени dτ:

Градиент температуры - это вектор, нормальный к изотермической поверхности и направленный в сторону возрастания температуры. Численно градиент температуры равен производной от температуры по нормали к поверхности:

Величина температурного градиента характеризует наибольшую скорость изменения температуры в данной точке температурного поля.

Коэффициент теплопроводности имеет размерность: []=

и показывает, какое количество тепла переносится путем теплопроводности в единицу времени через единицу поверхности теплообмена при падении темпе­ратуры на 1 град на единицу длины нормали к изометрической поверхности.

Количество тепла, передаваемое через поверхности в единицу времени называется плотностью теплового потока:

Дифференциальное уравнение теплопроводности

• Уравнение выводится на основе закона сохранения энергии, считая, что тело однородно и изотропно (одинаковость физических свойств). Физические параметры ,λ, с– постоянны.

• Согласно закону сохранения энергии вся теплота внесенная из вне в элементарный объем путем теплопроводности за время dτ идет на изменение внутренней энергии вещества в этом объеме:

где а – коэффициент температуропроводности, физический параметр вещества, м²/с;

Уравнение гласит – изменение температуры во времени для любой точки тела пропорционально величине а.

Для характеристики теплоинерционных свойств вещества введем понятие коэффициента температуропроводностиа. Чем больше величинаа у веще­ства, тем быстрее оно нагревается или охлаждается: