Удельные тепловые потоки

Количество теплоты. Тепловой поток.

 

Количество теплоты – количество тепловой энергии, полученное или отданное телом (твердым, жидким или газообразным) или проходящее через это тело за некоторое время τ в результате теплообмена.

Обозначают количество теплоты и измеряют в джоулях [Дж] или калориях [кал]:

1 кал = 4,187 Дж, 1 Дж = 0,24 кал.

При этом для анализа процессов часто используют кратные джоулю и калории единицы измерения:

1 кДж = 10³ Дж;1 МДж = 10⁶ Дж; 1 ГДж = 10⁹ Дж; 1 ТДж = = 10¹² Дж.

Тепловой поток (обозначают ) – количество теплоты, проходящее через заданную и нормальную к направлению распространения теплоты поверхность в единицу времени:

.

При стационарном режиме теплообмена тепловой поток не изменяется во времени и рассчитывается по формуле:

, Вт.

В старой системе единиц тепловой поток измеряется в :Вт.

В расчетах используют три вида удельных тепловых потоков:

а) поверхностную плотность теплового потока (обозначают: q, Вт/м²) – тепловой поток, отнесенный к площади поверхности тела;

б) линейную плотность теплового потока (обозначают: , Вт/м) – тепловой поток, отнесенный к длине протяженного тела;

в) объемную плотность теплового потока (обозначают: q_v ,Вт/м³) – тепловой поток, отнесенный к объему тела.

 

Поверхностная плотность теплового потока – количество теплоты, проходящее через заданную и нормальную к напрвлению распространению теплоты единичную площадку в единицу времени.

, Вт/м²,

где - единичный вектор; τ – время, с; F – площадь, м².

В стационарном режиме теплообмена и при одинаковых условиях теплообмена на всей поверхности тела:

.

Линейная плотность теплового потока – тепловой поток, проходящий через боковую поверхность единичной длины некоего протяженного тела, произвольного, но постоянного по длине поперечного сечения. В стационарном режиме теплообмена и при одинаковых условиях теплообмена на всей поверхности тела:

,откуда следует, что

где τ – время, с; – длина протяженного объекта, м.

Поверхностная плотность теплового потока и линейная плотность теплового потока связаны между собой следующим соотношением:

или ,

где П – периметр протяженного тела произвольного, но постоянного поперечного сечения.

Например, для трубы диаметром d периметр равен длине окружности () и формула связи q и примет вид

.

Объемная плотность теплового потока – количество теплоты, которое выделяется или поглощается внутри единичного объема тела в единицу времени. В стационарном режиме теплообмена и при условии равномерного распределения внутренних источников (стоков) теплоты в объеме тела:

откуда следует и .

Объемную плотность теплового потока q_v используют в следующих расчетах тепловыделений или теплопоглощений:

— в ядерном реакторе,

— при прохождении электрического тока по проводнику с большим сопротивлением;

— внутреннего трения при течении жидкости;

— при химических реакциях.

Величина q_v может быть как положительной, (теплота выделяется), так и отрицательной (теплота поглощается).