Основные положения теплообмена

Теплофизика. Предмет теплофизики.

Теплофизика – это область знаний о процессах тепломассы переноса в различных средах и о свойствах материалов и веществ в различных состояниях в широком диапазоне температур.

В теплофизике рассматриваются диапазоны температур от самых низких долей кельвина до миллионов кельвина.

Теплофизика рассматривает все агрегатные состояния сред: твердое, жидкое, газообразное, плазма.

Теплофизика представляет собой теоретические основы энергетики. Наиболее тесно теплофизика связана с термодинамикой.

Теплофизика изучает все основные виды переноса энергии.

Виды (механизм) переноса энергии в природе (перенос тепла):

1. Молекулярная теплопроводность (перенос внутренней энергии молекулами)

2. Конвекция (движение массы теплоносителей воздуха, воды, сред)

3. Излучение (лучистый теплообмен, электромагнитное, инфракрасное излучение)

Температура тела выражает степень его нагретости и характеризует запас его внутренней энергии. Чем выше температура тела, тем большуювнутреннюю (тепловую) энергию она имеет. Таким образом теплота (тепловая энергия, тепло) – один из видов энергии, которая представляет собой кинематическую энергию микрочастиц в основе молекул.

Общее количество теплоты измеряется в Джоулях (Дж) и обозначается через Q. Количество внутренней энергии (теплоты), которым обладает тело при данной температуре Т, определяется по формуле:

Q=c∙ρ∙V∙T, (1)

где c – удельная теплоемкость материала тела,

ρ – плотность материала тела,

V – объем тела.

Температура – физическая величина, характеризующая тепловое состояние макроскопических объемов тела. Совокупность температур всех тчек тела в какой-либо момент времени называется температурным полем. Температурное поле может быть представлено в виде функции зависимости:

T=f₁(x, y, z, t), (2)

где x, y, z – координаты (точки), t – время.

Если температура тела является функцией координат и времени, то такое температурное поле будет нестационарным ∂T/∂t ≠0. Когда температура тела с течением времени не изменяется (∂T/∂t =0) и является функцией только координат, температурное поле будет стационарным:

T=f₂(x, y, z). (3)

Температурные поля:

- одномерные (линейные),

- двухмерные (плоские),

- трехмерные (пространственные).

Соединим в двухмерном температурном поле точки с одинаковой температурой, получим систему линий, соответствующих выбранной температуре. Эти линии называются изотермами. Они не пересекаются и заканчиваются на контуре или же замыкаются сами на себя (рис.1).

Рис. 1. Двухмерное поле (водоем в плане). 1-изотерама; 2-линия тока теплоты.

Градиент температуры наибольший там, где расстояние по нормали между изотермами наименьшее и наоборот. Градиент температуры- вектор направленный по нормали к изотерме в сторону возрастания температуры. Поэтому в направлении убывания температуры он отрицательный. Если в среде имеют место различные значения температуры, т.е. имеется градиент температуры, существует тепловой поток (распределение теплоты). Тепловой поток направлен в сторону убывающей температуры. Удельный тепловой поток (или интенсивность теплового потока) прямо пропорционален градиенту температуры:

q= λ , (5)

где λ – коэффициент теплопроводности, n- нормаль к изотермической поверхности.

Формула 5 – есть закон молекулярной теплопроводности Фурье, если перенос тепла происходит только по направлению оси x.

q=- λ , (6)

Характеристикой молекулярной теплопередачи является коэффициент теплопроводности λ, он является физическим свойством вещества и зависит от его структуры плотности, влажности, температуры и давления. Коэффициент теплопроводности λ определяется опытным путем. Численно коэффициент теплопроводности равен количеству теплоты, которая проходит через 1м² и разности температуры на границах слоя в 1К.

[λ]= = (7)

Дата добавления: 2015-05-26