Режимы теплопередачи

Передача тепла, которая определяется как передача энергии из одной области в другую в результате температурного градиента, происходит в следующих трех режимах:

1. Проводимост
2. Конвекция
3. Излучение

 

Передача тепла в большинстве реальных ситуаций происходит в результате сочетания этих режимов теплопередачи. Пример: вода в раковине котла  получает свое тепло от пламени путем проведенного, конвективного и излучаемого тепла от огня к корпусу, отводимого тепла через оболочку и  проводимого и конвективного тепла от внутренней стенки раковины до воды. Тепло всегда понижается в сторону более низкой температуры.

Вышеуказанные три режима аналогичны тем, что должен существовать температурный диристенс и теплообмен находится в направлении уменьшения температуры; однако каждый метод имеет разные законы контроля.

 

1. Проводимость

«Проводимость» — это передача тепла от одной части вещества к другой части того же вещества или от одного вещества к другому при физическом  контакте с ним без заметного смещения образующейся молекулы вещества.

В твердых телах тепло проводят по двум механизмам:

• Вибрацией решетки (движущиеся молекулы или атомы в самой горячей части тела передают тепло, передавая часть своей энергии соседним молекулам).
• При переносе свободных электронов (свободные электроны обеспечивают поток энергии в направлении уменьшения температуры). 

Для металлов, особенно хороших электрических проводников, электронный механизм отвечает за большую часть теплового потока,  за исключением низкой температуры).

В случае газов механизм теплопроводности прост. Кинетическая энергия молекулы зависит от температуры. Эти молекулы находятся в  непрерывном случайном движении, обменивающемся энергией и импульсом. Когда молекула из области высоких температур сталкивается с  молекулой из низкотемпературной области, она уносит энергию столкновениями.

В жидкостях механизм тепла ближе к газам. Однако молекулы более близко расположены, и вступают в действие межмолекулярные силы.

Закон теплопроводности Фурье:

Закон теплопроводности Фурье является эмпирическим законом, основанным на наблюдении и состоянии следующим образом:

«Скорость малой теплоты через простое однородное твердое тело прямо пропорционально площади сечения под прямым углом к направлению теплового
потока и изменению температуры по длине пути теплового потока».

Теплопроводность (свойство материала) в основном зависит от следующих факторов:

1. Структура материала
2. Содержание влаги
3. Плотность материала 
4. Давление и температура (рабочие условия)

 

2. Конвекция

«Конвекция» — это передача тепла внутри люи, путем смешивания одной части жидкости с другой.

 

• Конвекция возможна только в жидкой среде и непосредственно связана с транспортом самой среды.
• Конвекция представляет собой макрофор теплопередачи, поскольку макроскопические частицы движущейся в пространстве жидкости  вызывают теплообмен.
• Эффективность передачи тепла конвекцией во многом зависит от движения смеси жидкости.

Этот режим теплопередачи встречается в ситуациях, когда энергия передается в виде тепла в текучую среду на любой поверхности, через которую  протекает поток. Этот режим является в основном проводимостью в очень тонком слое жидкости на поверхности, а затем смешиванием,  вызванным потоком. Тепловой поток зависит от свойств жидкости и не зависит от свойств материала поверхности. Однако форма поверхности  будет влиять на низкую и, следовательно, теплопередачу.

Свободная или нормальная конвекция. Свободная или естественная конвекция происходит, когда жидкость циркулирует в силу естественных  различий в плотностях горячих и холодных жидкостей; более плотные части жидкости движутся вниз из-за большей силы тяжести по сравнению с  силой на менее плотной.

Принудительная конвекция. Когда выполняются работы по удалению или откачке жидкости, говорят, что это принудительная конвекция.

Уравнение скорости или конвективный теплообмен (независимо от конкретной природы) между поверхностью и смежной жидкостью предписывается  законом охлаждения Ньютона.

Q = hA (t a -t f )

Где Q = Коэффициент теплопроводности

A = площадь, подверженная теплопередаче

t s = температура поверхности,

t f = температура жидкости и

h = Коэффициент проводимости теплопередачи

 

3. Излучение

«Радиация» — это передача тепла через пространство или вещество с помощью иных средств, помимо проводимости или конвекции.

Радиационная теплота — это хотя и электромагнитные волны или кванты (как удобно), излучающие ту же природу, что и свет и радиоволны.  Все тела излучают тепло; поэтому происходит передача тепла от излучения, потому что горячее тело излучает больше тепла, чем получает, а  холодное тело получает больше тепла, чем излучает. Лучистая энергия (электромагнитное излучение) не требует среды для распространения и  пройдет через вакуум.

Заметка. Быстро осциллирующие молекулы горячего тела создают электромагнитные волны в гипотетической среде, называемой эфиром.  Эти волны идентичны световой волне, радиоволны переносят с собой энергию и переносят ее на относительно медленно движущиеся молекулы  холодного тела, на котором они падают. Молекулярная энергия более позднего возрастает и приводит к повышению ее температуры. Теплота,  излучаемая излучением, известна как лучистое тепло.

Свойства лучистого тепла в целом аналогичны свойствам света. Некоторые свойства:

я. Это не требует наличия материальной среды или ее передачи.

II. Лучистое тепло может отражаться от поверхностей и подчиняться обычным законам отражения.

III. Он движется со скоростью света.

Как свет, он показывает интерференцию, направление и поляризацию и т. д.