Понятие о теплообмене и его видах

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:

- теплопроводностью,

- конвекцией (перемешиванием),

- излучением.

На этих трех способах основаны все виды теплообмена. Основных видов теплообмена пять.

Два простых вида теплообмена:

- теплопроводность (название этого вида совпадает с названием способа, с помощью которого этот обмен осуществляется)

- тепловое излучение;

и три сложных:

- конвективный теплообмен,

- теплоотдача,

- теплопередача.

Рассмотрим способы обмена тепловой энергией.

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 (от латинского convectio — принесение, доставка) — 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).

Естественная конвекция вызывается силами Архимеда, которые «выталкивают» из зоны нагрева более горячие, а, следовательно, как правило, и более легкие области жидкости, которые, уступая место более холодным областям, переносят тепловую энергию.

Вынужденная конвекция тем интенсивнее, чем больше градиент давления, создаваемый в жидкости, и чем меньше ее вязкость.

Естественная конвекция по сравнению с теплопроводностью значительно быстрее осуществляет теплообмен в жидкости, так как при наличии первой из областей с высокой температурой в области с низкой температурой переносятся значительные массы нагретой жидкости или газа. Это делает теплообмен более эффективным, чем перенос тепловой энергии соударением микрочастиц.

Пример 10.1. Если при наличии сил тяжести нагревать жидкость или газ в сосуде не внизу сосуда, как это обычно делается, а вверху, то конвекция будет отсутствовать. Прогрев жидкостей или газов в этом случае крайне замедляется вследствие их ничтожной теплопроводности.

В свою очередь, вынужденная конвекция вызывает еще более интенсивный теплообмен, чем естественная, так как первая приводит к более высоким скоростям перемешивания жидкостей и газов, чем последняя.

Тепловое излучение — способ теплообмена, основанный на способности всех тел при определенных условиях излучать энергию в виде электромагнитных волн (фотонов) и частиц вещества (например, нейтронов, осколков ядер при ядерных реакциях и т. п.). При этом излучающее тело теряет тепловую энергию и при этом охлаждается, а тело, которое поглощает излучение, нагревается.

Этот способ является единственным способом передачи тепловой энергии от одних тел к другим в вакууме.

Рассмотрим основные виды теплообмена.

Простые виды теплообмена — теплопроводность и тепловое излучение — не требуют пояснений. Следует только отметить, что тепловым излучением называется вид теплообмена, основанный на излучении и поглощении тепловой энергии только в виде электромагнитных волн (фотонов). Теплообмен, основанный на излучении и поглощении частиц вещества (нейтронов и т. п.), здесь не рассматривается.

Сложные виды теплообмена требуют пояснений.

Так, конвективный теплообмен — это сложный вид обмена тепловой энергией, основанный на двух способах теплообмена: конвекции и теплопроводности. Необходимость рассмотрения конвекции и теплопроводности в одном виде теплообмена обусловлена тем, что при конвекции (перемешивании и переносе) обязательно имеет место контакт макрочастиц, который приводит к возникновению теплопроводности. Обратное условие не соблюдается, это хорошо видно в примере 10.1.

Теплоотдача — сложный вид теплообмена между поверхностью твердого тела и жидкостью (или газом)_; контактирующей с этой поверхностью. Этот вид теплообмена можно рассматривать как наиболее часто встречающийся случай конвективного теплообмена между твердым телом и жидкостью.

Теплопередача — сложный вид теплообмена между двумя жидкостями через твердую стенку. В основе его лежат явления теплопроводности через стенку и теплоотдачи между стенкой и жидкостью.

На практике часто встречаются случаи более сложных видов обмена тепловой энергией, основанных на всех трех способах теплообмена. В этих случаях, однако, сложные виды теплообмена разделяют на более простые. В частности, тепловое излучение или, как его еще называют, лучистый теплообмен, рассматривают независимо от других видов обмена теплом.

Введем ряд понятий и определений, которыми будем пользоваться в теории теплообмена.

Количественной характеристикой переноса теплоты является удельный тепловой поток.

Удельный тепловой поток — это количество тепловой энергии, передаваемой через поверхность с единичной площадью в единицу времени:

Заметим, что q является векторной величиной и имеет направление в сторону понижения температуры.

Совокупность значений температуры во всех точках пространства (или тела) в определенный момент времени называется температурным полем.

Различают стационарные (температура которых во всех точках не меняется с течением времени t) и нестационарные температурные поля (для которых T=f(t)).

Поверхности пространства, все точки которых имеют одинаковую температуру, называются изотермическими.