В. П. Исаченко, В.А. Осипова, А. С. Сукомел - Теплопередача, страница 2

Авторы будут признательны за все замечания и пожелания, направленные на улучшение книги. Замечания и пожелания просим направлять по адресу: 1131!4, Москва, М-114, Шлюзовая набережная, 10, издательство «Энергия». Автори дачи теплоты от горячей жидкости к холодной через разделяющую их стенку называется тепло переда чей. Теплопсредача осуществляется различными элементарными процессами теплопереноса.

Парогеиерирующие трубы котельного агрегата, например, получают теплоту от продуктов сгорания топлива в результате радиационно-коивективного теплообмена. Через слой наружного загрязнения, металлическую стенку и слой накипи теплота передается теплопроводиостыо. От внутренней поверхности трубы к омывавшей ее жидкости теплота переносится конвективным теплообменом (теплоотдачей). Процессы теплообмена могут происходить в различных средах: чистых веществах и разных смесях, при изменении и без изменения агрегатного состояния рабочих сред и т. д.

В зависимости от этого теплообмен протекает по-особому и описывается различиымн уравнениями. Многие процессы переноса теплоты сопровождаются переносом вещества. Например, при испарении воды в воздух, помимо теплообмена, имеет место и перенос образовавшегося пара в пэровозд)чикой смеси. В общем случае перенос пара осуществляется как молекулярным, так и конвективным путем. Совместный молекулярный и конвективиый перенос массы иааывают ко иве ктиви ым ° м а с с о абие ион.

При наличии массообмена процесс теплообмена усложняется. Теплота дополнительно может переноситься вместе с массой диффундирующих веществ. В общем случае перенос теплоты в смеси различных веществ может вызываться неоднородным распределением других физических величин, помимо температуры. Например, разность концентрации компонентов смеси приводит к дополнительному молекулярному переносу теплоты (диффузионный термоэффеит). Обычно перенос теплоты, обусловленный подобными эффектами, сравнительно невелик и, кзк правило, им можно пренебречь. Пря теоретическом исследовании теплообмена приходится вводить некоторые модельные представления о среде, в которой происходят изучаемые процессы. Рассматриваемые газы, жилкости и твердые тела в книге в подавляющем болыпинстве случаев считаются сплошной средой, т.

е. средой. при рассмотрении которой допустимо пренебречь ее дискретным строением. Различают однородные и неоднородные сплошные среды. В первых физические свойства в различных точках одинаковы при одинаковых температуре и давлении, в неоднородных средах †различ. Различают также иэотропные и аннзотропные сплошные среды. В любой точке изотропной среды физические свойства ее не зависит от выбранного направлении, наоборот„ в анизотропной среде некоторые свойства вданной точке могут быть функцией направления. Наиболее изучен и часто встречается на практике теплообмен в изотропных средах.

Сплошная среда может быть однофазной и многофазной. В одиофазной среде, состонщей из чистого вещества или из смеси веществ, свойства изменяются в пространстве непрерывно. В многофазной среде, состоящей из ряда однофэзных частей, иа границах раздела свойства изменяются скачками. Теплообмен в однофазпых и многофазных системах протекает по-разному. Изучение как простыл, так и более сложных процессов переноса теплоты в различных средах и является задачей курса тсплопередачи. Часть первая ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ Геееа еереез ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ УЧЕНИЯ О ТЕПЛОПРОВОДНОСУИ ° -1. МНОЙ МЗЭЧННМЯ ЮМЗМЧЯСНМД изданий На основании представлений современной физики явления природы вообще и тегглопроводности в частности возмомгно описать и исследовать на основе фев о ненологического и с та т и стичес кого м е топо в.

Метод описания процесса, игнорирующий микроскопическую струн- туру вещества, рассматривающий его как сплошную среду (континуум), называется феноменологическим. Феноменологический метод исследования лает возможность установить некоторые общие соотношения между параметрами, характеризующими рассматриваемое юшение в целом. Феноменологические законы носят весьма общий характер, а роль конкретной физической среды учитываегся коэффициентами, определяемыми непосредственно из опыта.

Другой путь изучения физических явлений основан на изучении внутренней структуры вещества. Среда рассматривается как некоторая физическая система, состоящая из большого числа молекул, ионов или электронов с заданными свойствзмн и законами взаимодействия. Получение макроскопических характеристик по заданным микроскопическим свойствам среды составляет основную задачу такого метода, называемого статистическим.

Как первый, так и второй метод облалает своими достоинствами н недостатками. Феноменологический метод позволяет сразу установить общие связи между параметрами, характеризующими процесс, и использовать экспериментальные данные, точность которых предопределяет в точность самого метода. В этом достоинства использования феноменологического подхода прн изучении явления.

Однако сам факт проведения опытов для выявления характеристики физической среды является одновременно н недостатком метода, так как этим ограничиваются пределы примевения феноменологических законов. Кроме того, современный эксперимент очень сложен н зачастую является дорогостоящим. Статистический метод позволяет получить феноменолопшескне соотношения на основании заданных свойств микроскопической структуры среды без дополнительного проведениа эксперимента — в этом его достоинство.Недостатком статистического метода является сто сложность,1 в силу чего получить конечные расчетные соотношения возможно лишь| длн простейших физических моделей вещества. Кроме того, для реализации метола требуется знание ряда параметров, определение которых является предметом исследования специальных разделов физики.

В основу исследования процессов теплопроводности полохген фене-~ менологический метод. Лналитическая теория теплопроволности игнорирует молекулярное строение вещества и рассматривает зещестаокак сплошную среду. Такой подход правомерен, если размеры объектов исследования достаточно велики по сравнению с расстояниями эффективного межмолекулярного взаимодействия. Мз.

ТЕМПЕРАТУРНОЕ ПОЛЕ Явление теплопронодности прелставляет собой процесс распространения тепловой энергии при непосредственном соприкосновении отдельных частиц тела или отдельных тел, имеющих различные температуры. Теплопроводность обусловлена движением микрочастнц вещества. При этом в газах перенос энергии осуществляется путем диффузии молекул и атомов, а в жидкостях и твердых телах-диэлектриках— путем упругих волн.

В металлах перенос энергии в основном осуществляется путем диффузии свободных электронов, а роль упругих колебаний кристаллической решетки здесь второстепенна. Следует указзтгч что в жидкостях н газах чистая теплопроводность может быть реализована при выполнении условий„ исключающих перенос тепла конвенцией. Всякое физическое явление в общем случае сопровождается иамепением в пространстве и времени существенных для данного явления физических величин.

Процесс теплопроводности, как н другие виды теплообмена, может иметь место только при условии, что в Различных точках тела (или системы тел) температура неодинакова. В общем случае процесс передачи теплоты теплопроводностью в твердом теле сопровождается изменением температуры как в пространстве, так и во времени.

Аналитическое исследование теплопроводности сводится к изучению пространственно-временного изменения температуры, т. е. к нахождеяию уравнения: 1=((л, у, х, т). (1-1) УРавнение (1-1) представляет математическое выражение температурногого поля.

Таким образом, температурное поле есть совокупность значений температуры во всех точках изучаемого пространства лля каждого момента времени. Различают стационарное и н ест а пион а р кое температурные поля. Уравнение (1-1) является записью наиболее общего вйда температурного поля, когда температура изменяется с течением времени н от одной точки к другой.

Такое поле отвечает неустановившемуся тепловому режиму теплопроводности и носит название нестационарного 1 температурного поля. Есин тепловой режиы является установившимся, то температура в каждой точке поля с течением времени остается неизменной я такое теыпературное воле называется стациоиарнымт В этом случае температура является функцией только координат: 1=1,(х, Е, з); ш (1-ф 1=1 (л, ч); — — =О.

дг дв в д д Наиболее простой внд имеет уравнение одномерного стационарного температурного поля: 1=1 (х); — =0; (1-5) дв дг — — =0 дз дг Температурное поле, соответствующее уравненннм (1-1) и (1-2), является пространственным, так как температура является функцией трех координат. Если температура есть функция двух координат, то поле называетсн двухмерным и его запись имеет вид: Г.=),(х.