teplotekhnika (852911), страница 26
Текст из файла (страница 26)
В результате соударения частиц вещества (молекул, атомов и свободных электронов) происходит обмен энергией их теплового движения: интенсивность движения частицтела, обладающих меньшей внутренней кинетической энергией, увеличивается, а частиц тела, обладающих большей внутренней кинетическойэнергией, уменьшается.Механизм распространения теплоты теплопроводностью зависит отфизических свойств тела: в газообразных телах перенос теплоты теплопроводностью происходит в результате соударения молекул между собой; в металлах - путем диффузии свободных электронов; в капельныхжидкостях и твердых телах - диэлектриках - путем упругих волн (упругие колебания кристаллической решетки).Конвекцией называется процесс распространения теплоты путем перемещения жидкости или газа в пространстве из области с одной температурой в область с другой. Конвекция в отличие от распространения теплоты теплопроводностью может происходить только в жидкостях и газахи обусловливается перемещением самой среды.
Конвекция всегда со143провождается теплопроводностью, поскольку при перемещении жидкости или газа отдельные части тела, имеющие разные температуры, всегдасоприкасаются.Одновременное распространение теплоты конвекцией и теплопроводностью носит название конвективного теплообмена.Различают естественную (свободную) и искусственную (вынужденную)конвекцию.
Причиной перемещения жидкости или газа из одной частипространства в другую может быть различие плотностей отдельных частей жидкости или газа из-за их неравномерного нагрева. Более легкиеобъемы жидкости или газа будут подниматься вверх, а на их место будутопускаться более холодные объемы, обладающие большей плотностью.В этом случае характер движения и теплообмена определяется только условиями нагрева (температурным полем). Такое движение жидкости илигаза называется свободным, а теплообмен - конвективным теплообменом в свободном потоке.В том случае, когда движение жидкости или газа вызвано искусственно (вентилятором, насосом, компрессором и т.д.) и не связано с те-пловым воздействием, движение называется вынужденным, а теплообмен - конвективным теплообменом в вынужденном потоке.Тепловое излучение (радиация) - это излучение, возникающее в результате возбуждения частиц вещества (атомов, молекул, ионов и пр.) и распространяюшееся в пространстве электромагнитными волнами.
Скорость распространения электромагнитных волн в свободном пространстве (в вакууме) составляет 300 000 км/с.При лучистом теплообмене происходит двойное превращение энергии.Внутренняя энергия излучаюшего тела сначала переходит в лучистую,т.е. в энергию, переносимую излучением, а затем лучистая энергия распространяется в пространстве, пока не встретит непрозрачное тело, которое полностью или частично поглотит эту лучистую энергию.
Приэтом происходит преобразование лучистой энергии во внутреннююэнергию поглощаюшего тела.Передача теплоты теплопроводносгью и конвекцией происходит только ввещественной среде (в твердых телах, жидкосгях, газах), в то время как перенос теплоты излучением может происходить в вакууме, т.е. без участия среды.Необходимо отметить, что в реальных условиях весьма редко какойлибо из указанных способов распространения теплоты и видов теплообмена встречается изолированно. Так, например, в топочном пространстве котельного агрегата теплота передается от продуктов сгорания топлива к наружным стенкам кипятильных труб конвективным и лучистым теплообменом. Через стенки труб теплота передается теплопроводностью,а затем происходит процесс теплообмена между внутренними стенкамитруб и кипящей водой или паром.
Совокупность этих видов теплообме-на называется сложным теплообменом.144В различных машинах и аппаратах передача теплоты от одной движущейся жидкости к другой осуществляется через разделяющую их твердую стенку. Такой процесс переноса теплоты называется теплопередачей.Задачей учения о теплообмене является изучение закономерностей вотдельности как каждого вида теплообмена, так и сложного теплообмена.8.2. Основные понятия теории теплопроводностиРассмотрим вешественную среду, в которой осуществляется процессраспространения теплоты теплопроводностью. Как было указано, длявозникновения процесса теплопроводности необходимо наличие разности температур в различных точках среды.Совокупность значений температур в данный момент времени длявсех точек рассматриваемой среды называется температурным полем.
Вобщем случае уравнение температурного поля имеет вид:1= Г(Х,у, 1,1),(3.1)где 1- температура среды; х, у, г - координаты точки среды; т - время.В том случае, когда температура Ізависит от времени т, температурное поле называется нестационарным. Если температура в любой точкесреды не зависит от времени, то температурное поле называется стационарным и описывающее его уравнение будет1=Ґ(Х, у, г),(8-2)т.е. стационарное температурное поле является функцией только координат.
Для такого поля дІ/дт = 0.Поскольку температура является скалярной величиной, то температурное поле является скалярным полем.Геометрическое место точек, имеющих в данный момент времениодинаковую температуру, называется изотермической поверхностью.Уравнение изотермической поверхностиГ(х, у, 1, т)= сопЅІ.(8.3)При нестационарном температурном поле изотермические поверхности с течением времени изменяют свое положение в пространстве.При стационарном температурном поле уравнение изотермической поверхностиДх, у, 1) = сопЅІ;(8.4)вид поверхности и ее расположение в теле остаются не зависящими отвремени.145Рис.
8.1. Схема для определениятемпературного градиентаНа рис. 8.1 схематически представлено сечение тела с нанесеннымичерез интервалы А! изотермами. Вдоль всякого произвольного направления І, не совпадающего с изотермой, температура изменяется. Наименьшее расстояние между двумя изотермическими поверхностями будет внаправлении нормали п к изотермической поверхности (точка А на рис.8.1).Предел отношения изменения температуры А! к расстоянию Ап между изотермическими поверхностями, измеренному по нормали к ним,называется температурным градиентом:Ііт ї=ї3гасіьАп-›0 Ап дп(8.5)Температурный градиент является вектором, совпадающим с направлением нормали к изотермической поверхности. Принято считать Ёгасі 1положительным, если он направлен в сторону возрастания температуры(ВС на рис. 8.1).Для отдельных точек тела, а в общем случае и для различных точекодной и той же изотермической поверхности температурный градиентразличен не только по направлению, но и по размеру.
Совокупность значений температурных градиентов в различных точках температурногополя образует векторное поле температурных градиентов. Температурноеполе полностью определяет поле градиентов, так как направление последних должно совпадать с касательными к кривым, нормальным к изотермическим поверхностям (рис. 8.2), а значения их обратно пропорциональны отрезкам между двумя смежными изотермическими поверхностями. Эти нормальные к изотермам кривые носят название линий теплового тока. Вектор Ёгасі Івсегда направлен по касательной к линии теплового тока.При изучении процессов теплопроводности в твердых телах экспериментально установлено, что количество теплоты, проходящей через элементарную площадь изотермической поверхности за элементарный промежуток времени, пропорционально температурному градиенту, элемен146Рис.
8.2. Изотермы и линии теплово-го потокатарной площади поверхности и промежутку времени:(8.6)бО= -Жёгао ІсіАсіт,где 80 - элементарное количество теплоты, Дж; Ж - теплопроводностьматериала тела, Вт/(м-К); Егао 1- температурный градиент, К/м; оА элементарная площадь, м2; от - элементарный промежуток времени, с.Уравнение (8.6) называется уравнением Фурье, несмотря на то, чтовпервые предположение о форме зависимости было высказано французским ученым Био.Теплопроводность является теплофизическим параметром, характеризующим способность вещества проводить теплоту.Отношение количества теплоты, проходящей через заданную поверхность, ко времени называется тепловым потоком. Тепловой поток обозначают Фи выражают в ваттах (Вт).
Отношение теплового потока к площадиповерхности называют поверхностной плотностью теплового потока, обозначают буквой (1 и выражают в ваттах на квадратный метр (Вт/м2).Тепловой поток и поверхностная плотность теплового потока являются векторами, направленными по нормали к изотермической поверхности в сторону, противоположную температурному градиенту. Векторповерхностной плотности теплового потока_)бчдої =-х а,_=_=-хзга!дп(іАІ_)(8.7)где п длина нормали к изотермической поверхности.Знак минус в уравнении (8.7) указывает, что вектор о направлен в сторону, противоположную направлению вектора Ёгао І(см. рис.
8.1).Тепловой поток, прошедший сквозь изотермическую поверхностьплощадью А,147д:Ф = _ І х(_)<м.Адп(8.8)Поверхностная плотность теплового потока од определяется проецированием векторного равенства (8.7) на направление І(см. рис. 8.2).8.3. Определение теплопроводности материалаИз (8.7) следует, что теплопроводность, Вт/(м-К),›, = ІЧ'Ѕгасіг(8.9)равна отношению поверхностной плотности теплового потока к температурному градиенту. Другими словами, теплопроводность представляетсобой количество теплоты, которое проходит в единицу времени через единицу площади изотермической поверхности при температурном градиенте,равном единице.Чем больше значение Х, тем большей теплопроводностью обладаетвещество.
В общем случае теплопроводность для данного вещества неявляется величиной постоянной: для твердых тел 7» зависит от температуры, а для жидких и газообразных - еще и от давления.Для металлов (кроме алюминия) теплопроводность с увеличениемтемпературы несколько убывает, что означает, что холодный металл проводит теплоту лучше, чем нагретый. Теплопроводность металлов Ж составляет 2,3-420 Вт/(м-К).Для изоляционных и огнеупорных материалов Х при повышении температуры возрастает.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
