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).
Существуют 3 вида передачи тепла:
1) Теплопроводность;
2) Конвекция;
3) Лучистый теплообмен.
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 м2) 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 НЕКОТОРЫХ ВЕЩЕСТВ И МАТЕРИАЛОВ | |
Вещества и материалы | Теплопроводность, Вт/(мD К) |
Металлы | |
| Алюминий | 205 |
| Бронза | 105 |
| Висмут | 8,4 |
| Вольфрам | 159 |
| Железо | 67 |
| Золото | 287 |
| Кадмий | 96 |
| Магний | 155 |
| Медь | 389 |
| Мышьяк | 188 |
| Никель | 58 |
| Платина | 70 |
| Ртуть | 7 |
| Свинец | 35 |
| Цинк | 113 |
Другие материалы | |
| Асбест | 0,08 |
| Бетон | 0,59 |
| Воздух | 0,024 |
| Гагачий пух (неплотный) | 0,008 |
| Дерево (орех) | 0,209 |
| Магнезия (MgO) | 0,10 |
| Опилки | 0,059 |
| Резина (губчатая) | 0,038 |
| Слюда | 0,42 |
| Стекло | 0,75 |
| Углерод (графит) | 15,6 |
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 (TW *T),
где q – тепловой поток (измеряемый в ваттах), A – площадь
поверхности источника тепла (в м2),
TW 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/(м2хК).
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.
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 м2), а T
1 и T2 – температуры (в кельвинах) излучающего тела и
окружения, поглощающего это излучение. Коэффициент s называется
постоянной Стефана – Больцмана и равен (5,66961х0,00096)х10
–8 Вт/(м2 DК4).
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/м2. 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.
РОЛЬ ТЕПЛОТЫ И ЕЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ
Глобальные процессы теплообмена не сводятся к нагреванию Земли солнечным
излучением. Массивными конвекционными потоками в атмосфере определяются
суточные изменения погодных условий на всем земном шаре. Перепады температуры
в атмосфере между экваториальными и полярными областями совместно с
кориолисовыми силами, обусловленными вращением Земли, приводят к появлению
непрерывно изменяющихся конвекционных потоков, таких, как пассаты, струйные
течения, а также теплые и холодные фронты.
Перенос тепла (за счет теплопроводности) от расплавленного ядра Земли к ее
поверхности приводит к извержению вулканов и появлению гейзеров. В некоторых
регионах геотермальная энергия используется для обогрева помещений и
выработки электроэнергии.
Теплота – непременный участник почти всех производственных процессов.
Упомянем такие наиболее важные из них, как выплавка и обработка металлов,
работа двигателей, производство пищевых продуктов, химический синтез,
переработка нефти, изготовление самых разных предметов – от кирпичей и посуды
до автомобилей и электронных устройств.
Многие промышленные производства и транспорт, а также теплоэлектростанции не
могли бы работать без тепловых машин – устройств, преобразующих теплоту в
полезную работу. Примерами таких машин могут служить компрессоры, турбины,
паровые, бензиновые и реактивные двигатели.
Важным источником теплоты для таких целей, как производство электроэнергии и
транспортные перевозки, служат ядерные реакции. В 1905 А.Эйнштейн показал, что
масса и энергия связаны соотношением E = mc2, т.е. могут
переходить друг в друга. Скорость света c очень велика: 300 тыс. км/с.
Это означает, что даже малое количество вещества может дать огромное количество
энергии. Так, из 1 кг делящегося вещества (например, урана) теоретически можно
получить энергию, которую за 1000 суток непрерывной работы дает электростанция
мощностью 1 МВт
