Способы теплопроводности. Виды теплопередачи: теплопроводность, конвекция, излучение. Конвекционные виды теплообмена

В естественных условиях передача внутренней энергии тем теплообмена всегда происходит в строго определенном направлении: от тела с более высокой температурой к телу с более низкой температурой. Когда же температуры тел становятся одинаковыми, наступает состояние теплового равновесия: тела обмениваются энергией в равных количествах.

Совокупность явлений, связанных с переходом тепловой энергии из одних частей пространства в другие, который обусловлен различием температур этих частей, называют в общем случае теплообменом. В природе существует несколько видов теплообмена. Существуют три способа передачи количества теплоты от одного тела к другому: теплопроводность, конвекция и излучение.

Теплопроводность.

Поместим в пламя спиртовки конец металлического стержня. К стержню на равных расстояниях друг от друга прикрепим с помощью воска несколько спичек. При нагревании одного конца стержня восковые шарики плавятся, и спички одна за другой падают. Это свидетельствует о том, что, внутренняя энергия передается от одного конца стержня к другому.

Рисунок 1 Демонстрация процесса теплопроводности

Выясним причину этого явления.

При нагревании конца стержня интенсивность движения частиц, из которых состоит металл, возрастает, их кинетическая энергия увеличивается. Вследствие хаотичности теплового движения они сталкиваются с более медленными частицами соседнего холодного слоя металла и передают им часть своей энергии. В результате этого внутренняя энергия передается от одного конца стержня к другому.

Передача внутренней энергии от одной части тела к другой в результате теплового движения его частиц называется теплопроводностью.

Конвекция

Передача внутренней энергии путем теплопроводности происходит главным образом в твердых телах. В жидких и газообразных телах передача внутренней энергии осуществляется и другими способами. Так, при нагревании воды плотность ее нижних, более горячих, слоев уменьшается, а верхние слои остаются холодными и плотность их не изменяется. Под действием сил тяжести более плотные холодные слои воды опускаются вниз, а нагретые поднимаются вверх: происходит механическое перемешивание холодных и нагретых слоев жидкости. Вся вода прогревается. Аналогичные процессы происходят и в газах.

Передача внутренней энергии вследствие механического перемешивания нагретых и холодных слоев жидкости или газа называется конвекцией.

Явление конвекции играет большую роль в природе и технике. Конвекционные потоки вызывают постоянное перемешивание воздуха в атмосфере, благодаря чему состав воздуха во всех местах Земли практически одинаков. Конвекционные течения обеспечивают непрерывное поступление свежих порций кислорода к пламени в процессах горения. Вследствие конвекции происходит выравнивание температуры воздуха в жилых помещениях при отоплении, а также воздушное охлаждение приборов при работе различной радиоэлектронной аппаратуры.

Рисунок 2 Обогрев и выравнивание температуры воздуха в жилых помещениях при отоплении вследствие конвекции

Излучение

Передача внутренней энергии может происходить и путем электромагнитного излучения. Это легко обнаружить на опыте. Включим в сеть электронагревательную печь. Она хорошо обогревает руку, когда мы подносим ее не только сверху, но и сбоку печи. Теплопроводность воздуха очень мала, а конвекционные потоки поднимаются вверх. В этом случае энергия от раскаленной электрическим током спирали в основном передается способом излучения.

Передача внутренней энергии путем излучения осуществляется не частицами вещества, а частицами электромагнитного поля - фотонами. Они не существуют внутри атомов «в готовом виде», подобно электронам или протонам. Фотоны возникают при переходе электронов из одного электронного слоя в другой, расположенный ближе к ядру, и при этом уносят с собой определенную порцию энергии. Достигая другого тела, фотоны поглощаются его атомами и целиком передают им свою энергию.

Передача внутренней энергии от одного тела к другому вследствие ее переноса частицами электромагнитного поля - фотонами, называется электромагнитным излучением. Любое тело, температура которого выше температуры окружающей среды, излучает свою внутреннюю энергию в окружающее пространство. Количество энергии, излучаемое телом в единицу времени, резко возрастает с повышением его температуры.

Рисунок 3 Опыт, иллюстрирующий передачу внутренней энергии горячего чайника через излучение

Рисунок 4 Излучение от Солнца

Явления переноса в термодинамически неравновесных системах. Теплопроводность

В термодинамически неравновесных системах возникают особые необратимые процессы, называемые явлениями переноса, в результате которых происходит пространственный перенос энергии, массы, количества движения. К явлениям переноса относятся теплопроводность (обусловлена переносом энергии), диффузия (обусловлена переносом массы) и внутреннее трение (обусловлено переносом количества движения). Для этих явлений перенос энергии, массы и количества движения всегда происходит в направлении, обратном их градиенту, т. е. система приближается к состоянию термодинамического равновесия.

Если в одной области газа средняя кинетическая энергия молекул больше, чем в другой, то с течением времени вследствие постоянных столкновений молекул происходит процесс выравнивания средних кинетических энергий молекул, т. е., иными словами, выравнивание температур.

Процесс передачи энергии в форме теплоты подчиняется закону теплопроводности Фурье: количество теплоты q, которое переносится за единицу времени через единицу площади, прямо пропорционально - градиенту температуры, равному скорости изменения температуры на единицу длины х в направлении нормали к этой площади:

, (1)

где λ - коэффициент теплопроводности или теплопроводность. Знак минус показывает, что при теплопроводности энергия переносится в сторону убывания температуры. Теплопроводность λ равна количеству теплоты, переносимой через единицу площади за единицу времени при температурном градиенте, равном единице.

Очевидно, что теплота Q, прошедшая посредством теплопроводности через площадь S за время t, пропорциональна площади S, времени t и градиенту температуры :

Можно показать, что

(2)

где с V - удельная теплоемкость газа при постоянном объеме (количество теплоты, необходимое для нагревания 1 кг газа на 1 К при постоянном объеме), ρ - плотность газа, <υ> - средняя арифметическая скорость теплового движения молекул, <l > - средняя длина свободного пробега.

Т.е. видно от каких причин зависит количество энергии, передаваемое путем теплопроводности, например, из комнаты через стенку на улицу. Очевидно, что из комнаты на улицу передается энергии тем больше, чем больше площадь стенки S, чем больше разность температур Δt в комнате и на улице, чем больше времени t происходит теплообмен между комнатой и улицей и чем меньше толщина стенки (толщина слоя вещества) d: ~.

Кроме того, количество энергии, передаваемое путем теплопроводности, зависит от материала, из которого изготовлена стенка. Различные вещества при одинаковых условиях передают путем теплопроводности разное количество энергии. Количество энергии, которое передается путем теплопроводности через каждую единицу площади слоя вещества за единицу времени при разности температур между его поверхностями в 1°С и при его толщине в 1 м (единицу длины), может служить мерой способности вещества передавать энергию путем теплопроводности. Эту величину называют коэффициентом теплопроводности. Чем больше коэффициент теплопроводности λ, тем больше энергии передается слоем вещества. Наибольшей теплопроводностью обладают металлы, несколько меньшей – жидкости. Наименьшей теплопроводностью обладает сухой воздух и шерсть. Этим и объясняются теплоизолирующие свойства одежды у человека, перьев у птицы и шерсти у животных.

Введение

ТЕПЛОТА, кинетическая часть внутренней энергии вещества, определяемая интенсивным хаотическим движением молекул и атомов, из которых это вещество состоит. Мерой интенсивности движения молекул является температура. Количество теплоты, которым обладает тело при данной температуре, зависит от его массы; например, при одной и той же температуре в большой чашке с водой заключается больше теплоты, чем в маленькой, а в ведре с холодной водой его может быть больше, чем в чашке с горячей водой (хотя температура воды в ведре и ниже).

Теплота играет важную роль в жизни человека, в том числе и в функционировании его организма. Часть химической энергии, содержащейся в пище, превращается в теплоту, благодаря чему температура тела поддерживается вблизи 37 градусов Цельсия. Тепловой баланс тела человека зависит также от температуры окружающей среды, и люди вынуждены расходовать много энергии на обогрев жилых и производственных помещений зимой и на охлаждение их летом. Большую часть этой энергии поставляют тепловые машины, например котельные установки и паровые турбины электростанций, работающих на ископаемом топливе (угле, нефти) и вырабатывающих электроэнергию.

До конца 18 в. теплоту считали материальной субстанцией, полагая, что температура тела определяется количеством содержащейся в нем «калорической жидкости», или «теплорода». Позднее Б.Румфорд, Дж.Джоуль и другие физики того времени путем остроумных опытов и рассуждений опровергли «калорическую» теорию, доказав, что теплота невесома и ее можно получать в любых количествах просто за счет механического движения. Теплота сама по себе не является веществом – это всего лишь энергия движения его атомов или молекул. Именно такого понимания теплоты придерживается современная физика.

ТЕПЛОПЕРЕДАЧА

Теплопередача – это процесс переноса теплоты внутри тела или от одного тела к другому, обусловленный разностью температур. Интенсивность переноса теплоты зависит от свойств вещества, разности температур и подчиняется экспериментально установленным законам природы. Чтобы создавать эффективно работающие системы нагрева или охлаждения, разнообразные двигатели, энергоустановки, системы теплоизоляции, нужно знать принципы теплопередачи. В одних случаях теплообмен нежелателен (теплоизоляция плавильных печей, космических кораблей и т.п.), а в других он должен быть как можно больше (паровые котлы, теплообменники, кухонная посуда).

ТРИ ОСНОВНЫХ ВИДА ПЕРЕДАЧИ ТЕПЛА

Существуют три основных вида теплопередачи: теплопроводность, конвекция и лучистый теплообмен.

1.Теплопроводность. Если внутри тела имеется разность температур, то тепловая энергия переходит от более горячей его части к более холодной. Такой вид теплопередачи, обусловленный тепловыми движениями и столкновениями молекул, называется теплопроводностью; при достаточно высоких температурах в твердых телах его можно наблюдать визуально. Так, при нагревании стального стержня с одного конца в пламени газовой горелки тепловая энергия передается по стержню, и на некоторое расстояние от нагреваемого конца распространяется свечение (с удалением от места нагрева все менее интенсивное).

Интенсивность теплопередачи за счет теплопроводности зависит от градиента температуры, т.е. отношения DТ /Dx разности температур на концах стержня к расстоянию между ними. Она зависит также от площади поперечного сечения стержня (в м 2) и коэффициента теплопроводности материала [в соответствующих единицах Вт/(мDК)]. Соотношение между этими величинами было выведено французским математиком Ж.Фурье и имеет следующий вид:

где q – тепловой поток, k – коэффициент теплопроводности, а A – площадь поперечного сечения. Это соотношение называется законом теплопроводности Фурье; знак «минус» в нем указывает на то, что теплота передается в направлении, обратном градиенту температуры.

Из закона Фурье следует, что тепловой поток можно понизить, уменьшив одну из величин – коэффициент теплопроводности, площадь или градиент температуры. Для здания в зимних условиях последние величины практически постоянны, а поэтому для поддержания в помещении нужной температуры остается уменьшать теплопроводность стен, т.е. улучшать их теплоизоляцию.

В таблице представлены коэффициенты теплопроводности некоторых веществ и материалов. Из таблицы видно, что одни металлы проводят тепло гораздо лучше других, но все они являются значительно лучшими проводниками тепла, чем воздух и пористые материалы.

Теплопроводность металлов обусловлена колебаниями кристаллической решетки и движением большого числа свободных электронов (называемых иногда электронным газом). Движение электронов ответственно и за электропроводность металлов, а потому неудивительно, что хорошие проводники тепла (например, серебро или медь) являются также хорошими проводниками электричества.

Тепловое и электрическое сопротивление многих веществ резко уменьшается при понижении температуры ниже температуры жидкого гелия (1,8 K). Это явление, называемое сверхпроводимостью, используется для повышения эффективности работы многих устройств – от приборов микроэлектроники до линий электропередачи и больших электромагнитов.

Конвекция.

Как мы уже говорили, при подводе тепла к жидкости или газу увеличивается интенсивность движения молекул, а вследствие этого повышается давление. Если жидкость или газ не ограничены в объеме, то они расширяются; локальная плотность жидкости (газа) становится меньше, и благодаря выталкивающим (архимедовым) силам нагретая часть среды движется вверх (именно поэтому теплый воздух в комнате поднимается от батарей к потолку). Данное явление называется конвекцией. Чтобы не расходовать тепло отопительной системы впустую, нужно пользоваться современными обогревателями, обеспечивающими принудительную циркуляцию воздуха.

Конвективный тепловой поток от нагревателя к нагреваемой среде зависит от начальной скорости движения молекул, плотности, вязкости, теплопроводности и теплоемкости и среды; очень важны также размер и форма нагревателя. Соотношение между соответствующими величинами подчиняется закону Ньютона

q = hA (T W  T ),

где q – тепловой поток (измеряемый в ваттах), A – площадь поверхности источника тепла (в м 2), T W и T  – температуры источника и его окружения (в кельвинах). Коэффициент конвективного теплопереноса h зависит от свойств среды, начальной скорости ее молекул, а также от формы источника тепла, и измеряется в единицах Вт/(м 2 хК).

Величина h неодинакова для случаев, когда воздух вокруг нагревателя неподвижен (свободная конвекция) и когда тот же нагреватель находится в воздушном потоке (вынужденная конвекция). В простых случаях течения жидкости по трубе или обтекания плоской поверхности коэффициент h можно рассчитать теоретически. Однако найти аналитическое решение задачи о конвекции для турбулентного течения среды пока не удается. Турбулентность – это сложное движение жидкости (газа), хаотичное в масштабах, существенно превышающих молекулярные.

Если нагретое (или, наоборот, холодное) тело поместить в неподвижную среду или в поток, то вокруг него образуются конвективные токи и пограничный слой. Температура, давление и скорость движения молекул в этом слое играют важную роль при определении коэффициента конвективного теплопереноса.

Конвекцию необходимо учитывать при проектировании теплообменников, систем кондиционирования воздуха, высокоскоростных летательных аппаратов и многих других устройств. Во всех подобных системах одновременно с конвекцией имеет место теплопроводность, причем как между твердыми телами, так и в окружающей их среде. При повышенных температурах существенную роль может играть и лучистый теплообмен.

3.Лучистый теплообмен. Третий вид теплопередачи – лучистый теплообмен – отличается от теплопроводности и конвекции тем, что теплота в этом случае может передаваться через вакуум. Сходство же его с другими способами передачи тепла в том, что он тоже обусловлен разностью температур. Тепловое излучение – это один из видов электромагнитного излучения. Другие его виды – радиоволновое, ультрафиолетовое и гамма-излучения – возникают в отсутствие разности температур.

На рис. 8 представлена зависимость энергии теплового (инфракрасного) излучения от длины волны. Тепловое излучение может сопровождаться испусканием видимого света, но его энергия мала по сравнению с энергией излучения невидимой части спектра.

Интенсивность теплопередачи путем теплопроводности и конвекции пропорциональна температуре, а лучистый тепловой поток пропорционален четвертой степени температуры и подчиняется закону Стефана – Больцмана

где, как и ранее, q – тепловой поток (в джоулях в секунду, т.е. в Вт), A – площадь поверхности излучающего тела (в м 2), а T 1 и T 2 – температуры (в кельвинах) излучающего тела и окружения, поглощающего это излучение. Коэффициент s называется постоянной Стефана – Больцмана и равен (5,66961х0,00096)х10 –8 Вт/(м 2 DК 4).

Представленный закон теплового излучения справедлив лишь для идеального излучателя – так называемого абсолютно черного тела. Ни одно реальное тело таковым не является, хотя плоская черная поверхность по своим свойствам приближается к абсолютно черному телу. Светлые же поверхности излучают сравнительно слабо. Чтобы учесть отклонение от идеальности многочисленных «серых» тел, в правую часть выражения, описывающего закон Стефана – Больцмана, вводят коэффициент, меньший единицы, называемый излучательной способностью. Для плоской черной поверхности этот коэффициент может достигать 0,98, а для полированного металлического зеркала не превышает 0,05. Соответственно лучепоглощательная способность высока для черного тела и низка для зеркального.

Жилые и офисные помещения часто обогревают небольшими электрическими теплоизлучателями; красноватое свечение их спиралей – это видимое тепловое излучение, близкое к границе инфракрасной части спектра. Помещение же обогревается теплотой, которую несет в основном невидимая, инфракрасная часть излучения. В приборах ночного видения применяются источник теплового излучения и приемник, чувствительный к ИК-излучению, позволяющий видеть в темноте.

Мощным излучателем тепловой энергии является Солнце; оно нагревает Землю даже на расстоянии 150 млн. км. Интенсивность солнечного излучения, регистрируемая год за годом станциями, расположенными во многих точках земного шара, составляет примерно 1,37 Вт/м 2 . Солнечная энергия – источник жизни на Земле. Ведутся поиски способов наиболее эффективного ее использования. Созданы солнечные батареи, позволяющие обогревать дома и получать электроэнергию для бытовых нужд.

Теплопередача - это важный физический процесс. Он предполагает перенос теплоты и является сложным процессом, который состоит из совокупности простых превращений.

Существуют определенные виды теплопередачи: конвекция, теплопроводность, тепловое излучение.

Особенности процесса

Теория теплообмена является наукой об особенностях передачи теплоты. Теплопередача - это перенос энергии в газообразных, жидких, твердых средах.

Теория о теплоте появилась в середине XVIII века. Ее автором стал М. В. Ломоносов, который сформулировал механическую теорию теплоты, воспользовавшись законом сохранения и превращения энергии.

Варианты теплообмена

Теплопередача - это составная часть теплотехники. Разные тела могут обмениваться своей внутренней энергией в форме теплоты. Вариант теплообмена является самопроизвольным процессом передачи теплоты в свободном пространстве, который наблюдается при неравномерном распределении температур.

Разность в значениях температур является обязательным условием проведения теплообмена. Распространение тепла происходит от тел, имеющих более высокую температуру, к телам, обладающим меньшим ее показателем.

Результаты исследований

Теплопередача - это процесс переноса тепла и внутри твердого тела, но при условии, что есть разность температур.

Многочисленные исследования свидетельствуют о том, что теплопередача ограждающих конструкций является сложным процессом. Для того чтобы упростить изучение сути явлений, связанных с передачей тепла, выделяют элементарные операции: кондукцию, излучение, конвекцию.

Теплопроводность: общая информация

Чаще всего используется какой вид теплопередачи? Переносом вещества внутри тела можно изменить температуру, например, нагревая металлический стержень, увеличить скорость теплового движения атомов, молекул, повысить показатель внутренней энергии, увеличить теплопроводность материала. По мере соударения частиц происходит постепенная передача энергии, в результате чего весь стержень меняет свою температуру.

Если рассматривать газообразные и жидкие вещества, то передача энергии путем теплопроводности в них имеет незначительные показатели.

Конвекция

Такие способы теплопередачи связаны с переносом теплоты при движении в газах или жидкостях из области с одним температурным значением в область с другим ее показателем. Существует подразделение конвекции на два вида: вынужденную и свободную.

Во втором случае происходит перемещение жидкости под воздействием разности в плотностях ее отдельных частей из-за нагревания. К примеру, в помещении от горячей поверхности радиатора холодный воздух поднимается вверх, получая от батареи дополнительное тепло.

В тех случаях, когда для перемещения тепла необходимо применение насоса, вентилятора, мешалки, ведут речь о вынужденной конвекции. Прогревание по всему объему жидкости в этом случае происходит существенно быстрее, нежели при свободной конвекции.

Излучение

Какой вид теплопередачи характеризует изменение температурного показателя в газообразной среде? Речь идет о тепловом излучении.

Именно оно предполагает перенос тепла в виде электромагнитных волн, подразумевающий двойной переход тепловой энергии в излучение, затем обратно.

Особенности передачи тепла

Для того чтобы проводить расчет теплопередачи, необходимо иметь представление о том, что для теплопроводности и конвекции нужна материальная среда, а для излучения в этом нет необходимости. В процессе теплообмена между телами наблюдается уменьшение температуры у того тела, у которого этот показатель имел большую величину.

На такую же точно величину повышается температура холодного тела, что подтверждает полноценный процесс обмена энергией.

Интенсивность теплообмена зависит от разности в температурах между телами, которые обмениваются энергией. Если она практически отсутствует, процесс завершается, устанавливается тепловое равновесие.

Характеристика процесса теплопроводности

Коэффициент теплопередачи связан со степенью нагретости тела. Температурным полем называют сумму показателей температур для разных точек пространства в определенный момент времени. При изменении значения температуры в единицу времени поле является нестационарным, для неизменной величины - стационарным видом.

Изотермическая поверхность

Независимо от температурного поля, всегда можно выявить точки, имеющие одинаковое температурное значение. Геометрическое расположение их образует определенную изотермическую поверхность.

В одной точке пространства не допускается одновременного нахождения двух разных температур, поэтому изотермические поверхности не могут пересекаться между собой. Можно сделать вывод о том, что изменение в теле значения температуры проявляется лишь в тех направлениях, которые пересекают изотермические поверхности.

Максимальный скачок отмечается в направлении нормали к поверхности. Температурный градиент представляет собой отношение наибольшего показателя температур к промежутку между изотермами и является векторной величиной.

Он показывает интенсивность изменения температуры внутри тела, определяет коэффициент теплопередачи. То количество теплоты, которое будет переноситься через любую изотермическую поверхность, называют тепловым потоком.

Под его плотностью подразумевают отношение к единице площади самой изотермической поверхности. Эти величины являются векторами, противоположными по направлению.

Закон Фурье

Он является основным законом теплопроводности. Суть его заключается в пропорциональности плотности теплового потока градиенту температуры.

Коэффициент теплопроводности характеризует способность тел пропускать теплоту, он зависит от физических свойств вещества и его химического состава, влажности, температуры, пористости. Влага при заполнении пор стимулирует повышение теплопроводности. При высокой пористости внутри тела содержится повышенное количество воздуха, что сказывается на уменьшении показателя теплопроводности.

Определенный коэффициент сопротивления теплопередаче есть у всех материалов, найти его можно в справочниках.

Теплопроводность в твердой стенке

В качестве обязательного условия для данного процесса считается разность температур поверхностей стенки. В такой ситуации образуется поток теплоты, который направлен от стенки с большим значением температуры к поверхности стенки с небольшой температурой.

По закону Фурье тепловой поток будет пропорционален площади стенки, а также температурному напору, и обратно пропорционален толщине этой стенки.

Приведенное сопротивление теплопередаче зависит от теплопроводности материала, из которого изготовлены стенки. Если они включают в себя несколько разных слоев, их считают многослойными поверхностями.

В качестве примера подобных материалов можно назвать стены домов, где на кирпичный слой наносят внутреннюю штукатурку, а также внешнюю облицовку. В случае загрязнения наружной поверхности передающей тепловую энергию, к примеру, радиаторов либо двигателей, грязь можно рассмотреть как наложение нового слоя, имеющего незначительный коэффициент теплопроводности.

Именно из-за этого снижается теплообмен, возникает угроза перегревания работающего двигателя. Аналогичный эффект вызывает нагар и накипь. При увеличении количества слоев стенки растет ее максимальное термическое сопротивление, уменьшается величина теплового потока.

Для многослойных стенок распределение температуры является ломаной линией. Во многих теплообменных аппаратах осуществляется прохождение теплового потока через стенки круглых трубок. Если нагревающее тело движется внутри таких трубок, то в таком случае тепловой поток направлен к наружным стенкам от внутренних частей. При наружном варианте наблюдается обратный процесс.

Теплопередача: особенности процесса

Существует взаимодействие между тепловым излучением, конвекцией, теплопроводностью. Например, в процессе конвекции происходит тепловое излучение. Теплопроводность в пористых материалах невозможна без излучения и конвекции.

При проведении практических вычислений деление сложных процессов на отдельные явления не всегда целесообразно и возможно. В основном результат суммарного воздействия нескольких простейших явлений приписывают тому процессу, который считается основным в конкретном случае.

Второстепенные процессы при таком подходе учитывают только для количественных вычислений.

В современных теплообменных аппаратах происходит передача теплоты от одного вида жидкости к другой жидкости через стенку, которая их разделяет. Важным фактором, который влияет на коэффициент теплообмена, является форма стенки. Если она плоская, в таком случае можно выделить три этапа теплопередачи:

• к поверхности стенки от нагревающей жидкости;
• теплопроводностью через стенку;
• к нагреваемой жидкости к поверхности стенки.

Полное термическое сопротивление теплопередачи является величиной, которая обратна коэффициенту теплопередачи.

Заключение

Теплопроводность является процессом передачи внутренней энергии от нагретых участков тела к его холодным частям. Подобный процесс осуществляется с помощью беспорядочно движущихся атомов, молекул, электронов. Такой процесс может происходить в телах, которые имеют неоднородное распределение значений температур, но будет отличаться в зависимости от агрегатного состояния рассматриваемого вещества.

Можно рассматривать данную величину в качестве количественной характеристики способности тела к провождению тепла. Удельной теплопроводностью называют количество тепла, которое может проходить через материал, имеющий толщину 1м, площадь 1 м²/сек.

Долгое время считали, что существует взаимосвязь между передачей тепловой энергии и перетеканием от тела к телу теплорода. Но после проведения многочисленных экспериментов была выявлена зависимость подобных процессов от температуры.

В реальности при проведении математических расчетов, касающихся определения количества теплоты, передаваемой разными способами, учитывают проводимость путем конвекции, а также проникающее излучение. Коэффициент теплопередачи связан со скоростью передвижения жидкости, характером движения, его природой, а также с физическими параметрами движущейся среды.

В качестве носителей лучистой энергии выступают электромагнитные колебания, имеющие разную длину волн. Излучать их могут любые тела, температура которых превышает нулевое значение.

Излучение является результатом процессов, происходящих внутри тела. При попадании его на другие тела наблюдается частичное ее поглощение и частичное поглощение телом.

Закон Планка определяет зависимость плотности поверхностного потока излучения черного тела от абсолютной температуры и длины волны.

Простейшие виды теплообмена, которые были рассмотрены выше, не существуют по отдельности, они взаимосвязаны друг с другом. Сочетание их является сложным теплообменом, который предполагает серьезное изучение и детальное рассмотрение.

В теплотехнических расчетах используют суммарный коэффициент передачи тепла, который представляет собой совокупность коэффициентов теплоотдачи соприкосновением, которое учитывает теплопроводность, конвекцию, излучение.

При правильном подходе и учете отдельных тепловых явлений можно с высокой достоверностью рассчитать количество теплоты, переданное телу.

Тепловая энергия является термином, который мы используем для описания уровня активности молекул в объекте. Повышенная возбужденность, так или иначе, связана с увеличением температуры, в то время как в холодных объектах атомы перемещаются намного медленней.

Примеры теплопередачи можно встретить повсюду - в природе, технике и повседневной жизни.

Примеры передачи тепловой энергии

Самым большим примером передачи тепла является солнце, которое согревает планету Земля и все, что на ней находится. В повседневной жизни можно встретить массу подобных вариантов, только в гораздо менее глобальном смысле. Итак, какие же примеры теплопередачи можно наблюдать в быту?

Вот некоторые из них:

Тепло - это движение

Тепловые потоки находятся в постоянном движении. Основными способами их передачи можно назвать конвенцию, излучение и проводимость. Давайте рассмотрим эти понятия более подробно.

Что такое проводимость?

Возможно, многие не раз замечали, что в одном и том же помещении ощущения от прикосновения с полом могут быть совершенно разные. Приятно и тепло ходить по ковру, но если зайти в ванную комнату босыми ногами, ощутимая прохлада сразу дает чувство бодрости. Только не в том случае, где есть подогрев полов.

Так почему же плиточная поверхность мерзнет? Это все из-за теплопроводности. Это один из трех типов передачи тепла. Всякий раз, когда два объекта различных температур находятся в контакте друг с другом, тепловая энергия будет проходить между ними. Примеры теплопередачи в этом случае можно привести следующие: держась за металлическую пластину, другой конец которой будет помещен над пламенем свечи, со временем можно почувствовать жжение и боль, а в момент прикосновения к железной ручке кастрюли с кипящей водой можно получить ожог.

Факторы проводимости

Хорошая или плохая проводимость зависит от нескольких факторов:

• Вид и качество материала, из которого сделаны предметы.
• Площадь поверхности двух объектов, находящихся в контакте.
• Разница температур между двумя объектами.
• Толщина и размер предметов.

В форме уравнения это выглядит следующим образом: скорость передачи тепла к объекту равна теплопроводности материала, из которого изготовлен объект, умноженной на площадь поверхности в контакте, умноженной на разность температур между двумя объектами и деленной на толщину материала. Все просто.

Примеры проводимости

Прямая передача тепла от одного объекта к другому называются проводимостью, а вещества, которые хорошо проводят тепло, называются проводниками. Некоторые материалы и вещества плохо справляются с этой задачей, их называют изоляторами. К ним относят древесину, пластмассу, стекловолокно и даже воздух. Как известно, изоляторы фактически не останавливают поток тепла, а просто его замедляют в той или иной степени.

Конвекция

Такой как конвекция, происходит во всех жидкостях и газах. Можно встретить такие примеры теплопередачи в природе и в быту. Когда жидкость нагревается, молекулы в нижней части набирают энергию и начинают двигаться быстрее, что приводит к уменьшению плотности. Теплые молекулы текучей среды начинают двигаться вверх, в то время как охладитель (более плотная жидкость) начинает тонуть. После того как прохладные молекулы достигают дна, они опять получают свою долю энергии и снова стремятся к вершине. Цикл продолжается до тех пор, пока существует источник тепла в нижней части.

Примеры теплопередачи в природе можно привести следующие: при помощи специального оборудованной горелки теплый воздух, наполняя пространство воздушного шара, может поднять всю конструкцию на достаточно большую высоту, все дело в том, что теплый воздух легче холодного.

Излучение

Когда вы сидите перед костром, вас согревает исходящее от него тепло. То же самое происходит, если поднести ладонь к горящей лампочке, не дотрагиваясь до нее. Вы тоже почувствуете тепло. Самые крупные примеры теплопередачи в быту и природе возглавляет солнечная энергия. Каждый день тепло солнца проходит через 146 млн. км пустого пространства вплоть до самой Земли. Это движущая сила для всех форм и систем жизни, которые существуют на нашей планете сегодня. Без этого способа передачи мы были бы в большой беде, и мир был бы совсем не тот, каким мы его знаем.

Излучение - это передача тепла с помощью электромагнитных волн, будь то радиоволны, инфракрасные, рентгеновские лучи или даже видимый свет. Все объекты излучают и поглощают лучистую энергию, включая самого человека, однако не все предметы и вещества справляются с этой задачей одинаково хорошо. Примеры теплопередачи в быту можно рассмотреть при помощи обычной антенны. Как правило, то, что хорошо излучает, также хорошо и поглощает. Что касается Земли, то она принимает энергию от солнца, а затем отдает ее обратно в космос. Эта энергия излучения называется земной радиацией, и это то, что делает возможной саму жизнь на планете.

Примеры теплопередачи в природе, быту, технике

Передача энергии, в частности тепловой, является фундаментальной областью исследования для всех инженеров. Излучение делает Землю пригодной для обитания и дает возобновляемую солнечную энергию. Конвекция является основой механики, отвечает за потоки воздуха в зданиях и воздухообмен в домах. Проводимость позволяет нагревать кастрюлю, всего лишь поставив ее на огонь.

Многочисленные примеры теплопередачи в технике и природе очевидны и встречаются повсюду в нашем мире. Практически все из них играют большую роль, особенно в области машиностроения. Например, при проектировании системы вентиляции здания инженеры высчитывают теплоотдачу здания в его окрестностях, а также внутреннюю передачу тепла. Кроме того, они выбирают материалы, которые сводят к минимуму или максимизируют передачу тепла через отдельные компоненты для оптимизации эффективности.

Испарение

Когда атомы или молекулы жидкости (например, воды) подвергаются воздействию значительного объема газа, они имеют тенденцию самопроизвольно войти в газообразное состояние или испариться. Это происходит потому, что молекулы постоянно движутся в разных направлениях при случайных скоростях и сталкиваются друг с другом. В ходе этих процессов некоторые из них получают кинетическую энергию, достаточную для того, чтобы отталкиваться от источника нагревания.

Однако не все молекулы успевают испариться и стать водяным паром. Все зависит от температуры. Так, вода в стакане будет испаряться медленнее, чем в нагреваемой на плите кастрюле. Кипение воды значительно увеличивает энергию молекул, что, в свою очередь, ускоряет процесс испарения.

Основные понятия

• Проводимость - это передача тепла через вещество при непосредственном контакте атомов или молекул.
• Конвекция - это передача тепла за счет циркуляции газа (например, воздуха) или жидкости (например, воды).
• Излучение - это разница между поглощенным и отраженным количеством тепла. Эта способность сильно зависит от цвета, черные объекты поглощают больше тепла, чем светлые.
• Испарение - это процесс, при котором атомы или молекулы в жидком состоянии получают достаточно энергии, чтобы стать газом или паром.
• - это газы, которые задерживают тепло солнца в атмосфере Земли, производя парниковый эффект. Выделяют две основные категории - это водяной пар и углекислый газ.
• - это безграничные ресурсы, которые быстро и естественно пополняются. Сюда можно отнести следующие примеры теплопередачи в природе и технике: ветры и энергию солнца.
• Теплопроводность - это скорость, с которой материал передает тепловую энергию через себя.
• Тепловое равновесие - это состояние, в котором все части системы находятся в одинаковом температурном режиме.

Применение на практике

Многочисленные примеры теплопередачи в природе и технике (картинки выше) указывают на то, что эти процессы должны быть хорошо изучены и служили во благо. Инженеры применяют свои знания о принципах передачи тепла, исследуют новые технологии, которые связаны с использованием возобновляемых ресурсов и являются менее разрушительными для окружающей среды. Ключевым моментом является понимание того, что перенос энергии открывает бесконечные возможности для инженерных решений и не только.

Всего существует три простых (элементарных) вида передачи тепла:

§ Теплопроводность

§ Конвекция

§ Тепловое излучение

Существуют также различные виды сложного переноса тепла, которые являются сочетанием элементарных видов. Основные из них:

§ теплоотдача (конвективный теплообмен между потоками жидкости или газа и поверхностью твёрдого тела);

§ теплопередача (теплообмен от горячей жидкости к холодной через разделяющую их стенку);

§ конвективно-лучистый перенос тепла (совместный перенос тепла излучением и конвекцией);

§ термомагнитная конвекция

§ Коли́чество теплоты́ - энергия, которую получает или теряет тело при теплопередаче. Количество теплоты является одной из основныхтермодинамических величин.

§ Количество теплоты является функцией процесса, а не функцией состояния, то есть количество теплоты, полученное системой, зависит от способа, которым она была приведена в текущее состояние.

§ Единицы измерения: Джоули Дж

27.Внутренняя энергия тел и способы ее измерения

Внутренняя энергия – это одно из фундаментальных понятий в физике. К формированию этого понятия можно подойти различными путями, например, авторы учебника формирование этого понятия начинают с опыта о кажущемся нарушении закона сохранения энергии при соударении неупругих тел. Опыт: шар падает на спальную плиту. Непонятно, до удара, шар и стальная плита обладали внутренней энергией. Второй способ: используется идея о том, что работа представляет собой меру изменчивости или превращения энергии. Если тело способно совершить работу, то оно обладает энергией. Здесь можно предложить опыт с картофелем пистолетом (колба закрывается картофельной пробкой и помещается под колпак воздушного насоса, откачав воздух, пробка вылетает). Возникает вопрос: Обладал ли воздух в колбе энергией? (Да).

Дальнейшая задача состоит в том. Чтобы ознакомить учащихся со способами измерения внутренней энергии. Для этого проводится ряд опытов: нитью натирают цилиндр и резиновая пробка вылетает; в сосуд наливают немного воды, накачивают в него воздух, пробка вылетает и в сосуде наблюдается пар; в шарообразную колбу с изогнутым концом, в трубку наливается вода (капелька) держа колбу в руках капелька будет перемещаться по трубке. На основе опытов приходим к выводу, что внутреннюю энергию можно изменить двумя способами: теплообмен и совершение работы.

Виды теплопередачи: теплопроводность, конвекция, излучение.

Теплопроводность . Из жизненного опыта ученикам известен процесс передачи энергии от одного тела другому. Однако, они не подставляют себе различия тел по теплопроводности. Поэтому необходимо рассмотреть этот вопрос, используя опыт: берут стальную и медную проволоки, на равных расстояниях приклеивают парафином (пластилином) спички. Из опыта дел вывод: разные тела обладают разной теплопроводностью. При изучении вопроса можно сделать проблемную ситуацию: в картонной коробке кипятят воду.

Полезно также подчеркнуть, что при теплопроводности происходит перенос энергии, связанной с хаотическим движением микрочастиц, само же вещество не переносится. Для закрепления материала решают качественные задачи.

Конвекция . При изучении конвекции можно предложить следующие опыты: U образная трубка с перегородкой в верхней части, заполняется водой, выше уровня перегородки, затем с одного конца внизу нагревается (в трубки помещаются марганцовка, в одну трубку к низу, в другую сверху…); в трубку с двух сторон вставляют пробки с термометрами и начинают ее нагревать (термометр, находящийся выше покажет большую температуру). При конвекции происходит перенос вещества.

Излучение . Излучение, как вид переноса, связано с излучением и поглощением частицами вещества электромагнитных волн и поэтому не может быть объяснено обстоятельно 8-классникам, поэтому при ознакомлении учащихся с этим видом теплопередачи, следует проводить широко экспериментально. Здесь можно поставить проблемный опыт. Капля жидкости в трубке термоскопа перемещается вправо, указывая на расширение воздуха в термоскопе от нагревания. Формулируют проблему: "Почему капля в термоскопе перемещается и тогда, когда нагреватель расположен на одном и том же уровне с термоскопом?". Подчеркивается, что в данном случае тепло передается от нагретого тела с помощью невидимых глазом лучей – тепловых лучей. Здесь же подчеркивается, что при излучении наличие среды необязательно, перенос энергии может происходить и в вакууме (передача энергии от Солнца к Земле).

Количество теплоты . Единицы количества теплоты . Процесс совершения механической работы и процесс теплопередачи имеют общий признак – изменяют внутреннюю энергию тела.

Меру изменения внутренней энергии путем совершения работы назвали количеством работы, а меру изменения внутренней энергии в процессе теплопередачи назвали количеством теплоты.

Далее выясняют от чего зависит количество теплоты Q полученное или отданное телом. Для расчета количества теплоты необходимо ввести понятие удельной теплоемкости. Необходимо выяснить с учащимися, что количество теплоты, полученное (отданное) телом при теплопередаче зависит от рода вещества. Эту зависимость характеризую. Особой величиной, называемой удельной теплоемкостью вещества. Это можно проверить, проводя следующий эксперимент: используют прибор Тиндаля и замечают, что алюминиевый цилиндр погружается больше в парафин, затем железный и медный. Делают вывод: тела из разных веществ, но одной массы, отдают при охлаждении и требуют при нагревании на одну температуру разное количество теплоты.

После этого вводим понятие удельной теплоемкости. Для закрепления необходимо работать с таблицей удельных теплоемкостей, ставя следующие вопросы: 1. Что означает, что удельная теплоемкость воды 4200 Дж/ кг К? 2. Найдите вещество для которого теплоемкость наибольшая и т.п.

Введя понятие удельной теплоемкости, можно рассчитать количество теплоты необходимое для нагрева тела массой 1 кг на температуру для случая m вещества: . Далее изучается испарение, кипение, находят количество теплоты необходимое для плавления, для парообразования и т.д. Необходимо расплавить лед, испарить воду.

AB – процесс нагревания Q 1 =mc л (T-T 1); BC – плавление Q 2 =λm; CD – нагревание Q 3 =mc H 2O (T 2 -T o); DE – парообразование Q 2 =μm