Введение в теорию теплообмена

В теории теплообмена изучаются закономерности переноса теплоты из одной области пространства в другую, которые представляют собой процессы обмена внутренней энергией между элементами рассматриваемой системы в форме теплоты.

Существует три различных по своей природе элементарных вида теплообмена: теплопроводность, конвективный теплообмен и лучистый теплообмен.

Теплопроводность в чистом виде, как правило, встречается только в твердых телах. Так, в диэлектриках перенос теплоты осуществляется за счет распространения упругих волн колеблющихся атомов и молекул, в металлах он связан с перемещением свободных электронов и колебаниями атомов кристаллической решетки.

Конвективный теплообмен может иметь место в движущихся средах (жидкостях и газах). При наличии разности температур в различных точках среды перемещение макрочастиц в процессе конвекции всегда сопровождается теплопроводностью.

Теплоотдача - наиболее распространенный случай конвективного теплообмена. Чаще всего конвективный теплообмен в процессе теплоотдачи осуществляется между движущейся средой и поверхностью обтекаемого средой твердого тела, например, процесс теплоотдачи при течении жидкости в трубах, внешнем обтекании тел газом.

Лучистый теплообмен между телами может осуществляться и при отсутствии промежуточной среды (в вакууме). Он обусловлен только температурой и оптическими свойствами тел, участвующих в теплообмене.

Массообмен характерен для процессов теплообмена в многокомпонентных средах. Аналогично процессам переноса теплоты перенос вещества в смеси может быть обусловлен тепловым движением микрочастиц (диффузия) и движением макроскопических элементов среды (конвективный массообмен).

Теплообмен - самопроизвольный необратимый процесс переноса теплоты в пространстве с неоднородным распределением температуры.

Теплопроводность - молекулярный перенос теплоты в сплошной среде, обусловленный наличием градиента температуры.

Конвективный теплообмен - перенос теплоты, обусловленный перемещением макроскопических элементов среды в пространстве, сопровождаемый теплопроводностью.

Теплоотдача - конвективный теплообмен между движущейся средой и поверхностью ее раздела с другой средой (твердым телом, жидкостью или газом).

Лучистый теплообмен - теплообмен, обусловленный превращением внутренней энергии вещества в энергию электромагнитных волн, распространением их в пространстве и поглощением энергии этих волн веществом.

Массообмен - самопроизвольный необратимый процесс переноса массы данного компонента в пространстве с неоднородным полем концентрации (химического потенциала).

Теплопроводность

Аналитическая теория теплопроводности применима только к сплошной среде, поэтому при расчете процессов теплопроводности не учитывается дискретное строение тел, принимается, что тела гомогенны и изотропны, а размеры их велики по сравнению с расстоянием между молекулами.

Температурное поле может быть нестационарным и стационарным. В первом случае поле изменяется во времени, во втором - нет. В соответствии с этим процесс считается стационарным или нестационарным.

Поверхность, во всех точках которой температура одинакова, называется изотермой. Такие поверхности не пересекаются между собой. Они могут быть замкнутыми или кончаются на границах тела. Наиболее резкое изменение температуры в теле с неоднородным температурным полем наблюдается в направлении нормали к изотермной поверхности.

Градиент температуры направлен в сторону повышения температуры

grad T=ÑT = lim(DT/Dn) = dT/dn , где Ñ - символический вектор

Dn®0 (оператор Гамильтона), заменяющий символ градиента (а также дивергенции и ротации).

Поле температурного градиента является векторным, поэтому

(*)

где координаты градиента; i, j, k - единичные векторы, имеющие направление координатных осей.

Тепловой поток, отнесенный к единице площади поверхности, называется плотностью теплового потока q. Плотность теплового потока может быть местной (локальной) и средней по поверхности; является вектором, направленным в сторону падения температуры. Совокупность значений плотности теплового потока во всех точках тела в данный момент времени образует векторное поле плотности теплового потока. Линия, в каждой точке которой вектор плотности теплового потока направлен по касательной к ней, называется линией теплового тока.