Механизмы передачи тепла: теплопроводность, конвекция, излучение. Их сравнительный анализ. Тепловой поток, плотность теплового потока. Температурное поле, температурный градиент.

Перенос теплоты может передаваться тремя механизмами передачи тепла: теплопроводностью; конвекцией; излучением (радиацией).

Процесс передачи теплоты теплопроводностью происходит при непосредственном контакте тел или частицами тел с различными температурами и представляет собой молекулярный процесс передачи теплоты. При нагревании тела, кинетическая энергия его молекул возрастает и частицы более нагретой части тела, сталкиваясь с соседними молекулами, сообщают им часть своей кинетической энергии. Конвекция – это перенос теплоты при перемещении и перемешивании всей массы неравномерно нагретых жидкости или газа. При этом, перенос теплоты зависит от скорости движения жидкости или газа прямо пропорционально. Этот вид передачи теплоты сопровождается всегда теплопроводностью. Одновременный перенос теплоты конвекцией и теплопроводностью называется конвективным теплообменом. В инженерных расчетах часто определяют конвективный теплообмен между потоками жидкости или газа и поверхностью твердого тела. Этот процесс конвективного теплообмена называют конвективной теплоотдачей или просто теплоотдачей. Если процесс теплообмена происходит между средами через разделяющую их поверхность то он носит название теплопередача. Процесс передачи теплоты внутренней энергии тела в виде электромагнитных волн называется излучением (радиацией). Этот процесс происходит в три стадии: превращение части внутренней энергии одного из тел в энергию электромагнитных волн, распространение э/м волн в пространстве, поглощение энергии излучения другим телом. Совместный теплообмен излучением и теплопроводностью называют радиационно - кондуктивным теплообменом. Совокупность всех трех видов теплообмена называется радиационно-конвективным или сложным теплообменом. Процессы теплообмена могут происходить в различных средах: чистых веществах и разных смесях, при изменении и без изменения агрегатного состояния рабочих сред и т.д. Процесс переноса теплоты может сопровождаться переносом вещества (массообмен), фазовыми переходами, химическими реакциями на поверхности тела и в самом теплоносителе. Например, испарение воды в воздух, движение жидкостей или газов в трубопроводах и.т.п. Тогда процесс теплообмена усложняется, так как теплота дополнительно переносится с массой движущегося вещества. Будем рассматривать только однородные и изотропные тела, т.е. такие тела, которые обладают одинаковыми физическими свойствами по всем направлениям. При передаче теплоты в твердом теле, температура тела будет изменяться по всему объему тела и во времени.

Совокупность значений температуры в данный момент времени для всех точек изучаемого пространства называется температурным полем.

В общем случае реальный процесс по своей природе трехмерный и нестационарный. . В зависимости от условия задачи различают одномерные и двухмерные температурные поля (изменяющиеся по одной или двух координатам). Наиболее простотой является одномерное стационарное температурное поле, которое состоит из серии изотермических поверхностей. Изотермическая поверхность – геометрическое место точек в температурном поле, имеющих одинаковую температуру. Одна и та же точка не может иметь разную температуру, поэтому изотермические поверхности не пересекаются, они либо оканчиваются на поверхности, либо целиком располагаются в нутрии тела. Рис. 9.1. Чем чаще расположены изотермы, тем интенсивнее изменяется температура.

Рис. 9.1 Температурное поле тела и его характеристики

 

Отношение характеризует среднюю интенсивность изменения температуры между изотермами в направлении нормали и является средним температурным градиентом. Его локальное значение: . Таким образом, температурный градиент характеризует изменение температуры на единицу длины. Температурный градиент – это вектор, направленный по нормали к изотермической поверхности в сторону возрастания температуры и численно равный производной от температуры по длине этого направления:, где - единичный вектор, нормальный к изотермической поверхности и направленный в сторону возрастания температуры. Скалярная величина температурного градиента различна для точек изотермической поверхности. Она тем больше, чем меньше .

Количество теплоты (Вт = Дж/с), переданное в единицу времени через изотермическую поверхность называется тепловым потоком . Плотность теплового потока – количество теплоты, передаваемое через единицу площади изотермической поверхности в единицу времени: [Вт/м²])