Теплообмен. Явления переноса

Теплообмен происходит между телами или частями одного и того же тела, нагретыми до различной температуры.

Виды теплообмена:

· конвективный теплообмен;

· теплопроводность;

· теплообмен излучением – происходит за счет испускания и поглощения телами электромагнитного излучения.

Явления переноса – необратимые процессы, в результате которых происходит пространственный перенос энергии, массы, импульса, это:

· теплопроводность – обусловлена переносом энергии;

Теплопроводность возникает при наличии разности температур (средних кинетических энергий), вызванной какими-либо внешними причинами. С течением времени вследствие постоянных столкновений молекул происходит процесс выравнивания температур (средних кинетических энергий). Перенос энергии в форме теплоты подчиняется закону Фурье:, где плотность теплового потока – величина, определяемая энергией, переносимой в форме теплоты в единицу времени через единичную площадку, перпендикулярную оси , теплопроводность, градиент температуры, равный скорости изменения температуры на единицу длины в направлении нормали к этой площадке. Знак «минус» показывает, что при теплопроводности энергия переносится в направлении убывания температуры.

Коэффициент теплопроводности пропорционален удельной теплоемкости газа, его плотности, средней арифметической скорости и средней длине свободного пробега молекул:или. (3.4.27.)

· внутреннее трение – обусловлено переносом импульса;

Внутреннее трение (вязкость) связано с возникновением сил трения между слоями газа, перемещающимися параллельно друг другу с различными по модулю скоростями.

Сила внутреннего трения, действующая между слоями газа: , (3.4.24.)

где коэффициент внутреннего трения, поперечный градиент скорости, т.е. отношение изменения скорости двух слоев газа, отстоящих друг от друга на расстояние , к величине этого расстояния, площадь слоев газа, между которыми действует сила внутреннего трения.

Коэффициент внутреннего трения пропорционален плотности газа, средней арифметической скорости молекул и средней длине свободного пробега молекул: . (3.4.25.)

Количество теплоты , перенесенное газом в результате теплопроводности через площадку за время , выражается формулой , (3.4.26.)

где коэффициент теплопроводности, градиент температуры.

Знак «минус» показывает, что перенос теплоты происходит в направлении, противоположном вектору градиента, который направлен в сторону максимального возрастания температуры.

· диффузия – обусловлена переносом массы.

Опр.3.4.10. Диффузией в простейшем случае называется явление самопроизвольного взаимного проникновения и перемешивания частиц двух соприкасающихся газов (жидкостей, твердых тел).

В химически чистых газах при постоянной температуре диффузия возникает вследствие неодинаковой плотности в различных частях объема газа. Для смеси газов диффузия вызывается различием в концентрациях отдельных газов в различных частях объема смеси.

В химически однородном газе перенос вещества при диффузии подчиняется закону Фика: ,

где удельный поток массы, коэффициент диффузии, плотность вещества, зависящая от координаты , градиент плотности, равный скорости изменения плотности на единицу длины в направлении нормали к этой площадке. Знак «минус» показывает, что при теплопроводности энергия переносится в направлении убывания плотности.

Масса газа, перенесенная в результате диффузии через площадку за время :, (3.4.22.)

где коэффициент диффузии, градиент концентрации «меченых» молекул, масса одной молекулы.

Знак «минус» показывает, что перенос массы происходит в направлении, противоположном вектору градиента, который направлен в сторону максимального возрастания плотности. При этом концентрация газа (не «меченой» части его, а всего газа в целом) постоянна во всем объеме. Градиент концентрации газа (а следовательно, и плотности его) должен быть равен нулю. В противном случае перенос массы газа будет обусловлен не только диффузией, но и разностью давлений в различных участках рассматриваемого объема.

Коэффициент диффузии газа пропорционален средней арифметической скорости молекул и средней длине их свободного пробега: . (3.4.23.)

Формула неверна в случае взаимной диффузии газов, сильно различающихся по относительной молекулярной массе или эффективному диаметру молекул.

Дата добавления: 2014-01-07