Теплопередача.(Материал из Википедии).
Когда физические тела одной системы находятся при разной температуре, то происходит передача тепловой энергии, или теплопередача от одного тела к другому до наступления термодинамического равновесия.
Самопроизвольная передача тепла всегда происходит от более горячего тела к более холодному, что и формулирует второго закона термодинамики. Обритый процесс (передачу тепла от холодного тела более горячему) имеет какую-то вероятность, не равную нулю, но никто его пока не наблюдал.
Всего существует три вида передачи тепла:
- теплопроводность,
- конвекция,
- тепловое излучение.
1. Теплопрово́дность
-это перенос теплоты структурными частицами вещества (молекулами, атомами, электронами) в процессе их теплового движения.
Такой теплообмен может происходить в любых телах с неоднородным распределением температур, но механизм переноса теплоты будет зависеть от агрегатного состояния вещества.
Явление теплопроводности заключается в том, что кинетическая энергия атомов и молекул, которая определяет температуру тела, передаётся другому телу при их взаимодействии или передаётся из более нагретых областей тела к менее нагретым областям.
Иногда теплопроводностью называется также количественная оценка способности конкретного вещества проводить тепло.
Закон теплопроводности Фурье.
В установившемся режиме поток энергии, передающейся посредством теплопроводности, пропорционален градиенту температуры:
 где g - вектор потока тепла — количество энергии, проходящей в единицу времени
через единицу площади, перпендикулярной каждой оси,
u - коэффициент теплопроводности (иногда называемый просто
теплопроводностью),
T - температура.
Минус в правой части показывает, что тепловой поток направлен противоположно вектору grad T (то есть в сторону скорейшего убывания температуры).
В интегральной форме это же выражение запишется так (если речь идёт о стационарном потоке тепла от одной грани параллелепипеда к другой):
где P — полная мощность тепловых потерь,
S — площадь сечения параллелепипеда,
ΔT — перепад температур граней,
h — длина параллелепипеда, то есть расстояние между гранями.
Размерность коэффициента теплопроводности χ - Вт/ (м* ºK).
Коэффициент теплопроводности вакуума принимается нулю. Вещества в вакууме (почти) нет, а значит и явления теплопроводности -тоже нет.
Поэтому типичные кадры из голливудского фильма, как в космос вываливается астронавт и тут же покрывается коркой льда – глупость.
Тепло в вакууме может передаваться излучением.
Оттого, например, стенки термоса делают двойными, серебрят (такая поверхность хуже излучает и лучше отражает), а воздух между ними откачивают.
Между коэффициентом теплопроводности металлов χ и их удельной электрической проворностью σ
существует при данной температуре обратная зависимость;
где k — постоянная Больцмана,
e — заряд электрона.
Следует отметить, что закон Фурье не учитывает инерционность процесса теплопроводности, то есть в данной модели изменение температуры в какой-то точке мгновенно распространяется на всё тело.
Закон Фурье не применим для описания высокочастотных процессов (и, соответственно, процессов, чьё разложение в ряд Фурье имеет значительные высокочастотные гармоники).
Коэффициенты теплопроводности различных материалов, Вт/(м•K).
Алмаз 1001—2600
Серебро 430
Медь 382—390
Золото 320
Алюминий 202—236
Латунь 97—111
Железо 92
Платина 70
Олово 67
Сталь 47
Кварц 8
Стекло 1
Вода 0,6
Кирпич керамический пустотелый 1400 кг/м3 0,47
Кирпич керамический пустотелый 1000 кг/м3 0,35
Кирпич силикатный 0,7
Кирпич силикатный пустотелый 11 дырок 0,64
Листы асбестоцементные 0,35
Пенобетон 0,14—0,3
Газобетон 0,1—0,3
Дерево 0,15
Шерсть 0,05
Минеральная вата 0,045
Пенополистирол 0,04
Пеноизол 0,035
Воздух (300 K, 100 кПа) 0,026
Воздух (сухой неподвижный) 0,024—0,031
Аргон 0,0177
Ксенон 0,0057
Аэрогель 0,017
Вакуум (абсолютный) 0 (строго)
Покрытие из порошковой краски 0,2-0,5
2. Конвекция.
Конве́кция (от лат. convectio — принесение, доставка) — явление переноса теплоты в жидкостях или газах путем перемешивания самого вещества (неважно, вынужденно или самопроизвольно).
Переноса тепла конвекцией без теплопроводности не бывает. Сначала более нагретое тело должно отдать тепло перевозчику. Затем он должен увезти полученный кусок тепловой энергии.
Существует т. н. естественная конвекция, которая возникает в веществе самопроизвольно при его неравномерном нагревании в поле тяготения. При такой конвекции, нижние слои вещества нагреваются, становятся легче и всплывают вверх, а верхние слои, наоборот, остывают, становятся тяжелее и погружаются вниз, после чего процесс повторяется снова и снова.
Различают ламинарную и турбулентную конвекцию.
Естественной конвекции обязаны многие атмосферные явления, в том числе, образование облаков. Благодаря тому же явлению движутся тектонические плиты. Конвекция ответственна за появление гранул на Солнце.
При вынужденной (принудительной) конвекции' перемещение вещества обусловлено действием каких-то внешних сил (насос, лопасти вентилятора и т. п.). Она применяется, когда естественная конвекция является недостаточно эффективной.
Конвекцией также называют перенос теплоты, массы или электрических зарядов движущейся средой.
3. Тепловое излучение.
Тепловое излучение — один из трёх элементарных видов переноса тепла (теплопроводность, конвекция, излучение), которое осуществляется при помощи электромагнитных волн.
В физике для расчёта теплового излучения принята модель абсолютно чёрного тела, тепловое излучение которого описывается законом Стефана — Больцмана.
Г. Кирхгоф доказал, что отношение испускательной и поглощательной способностей реальных тел не зависит от его природы и является для всех тел одной и той же функцией частоты (длины волны и температуры).
Отношение лучеиспускательной способности тела к его поглощательной способности одинаково для всех тел, находящихся при одинаковых температурах и равно лучеиспускательной способности абсолютно черного тела при той же температуре.
Из закона Кирхгофа следует, что если тело обладает малой поглощательной способностью, то оно одновременно обладает и малой лучеиспускательной способностью ( напр. полированные металлы). Абсолютно черное тело, обладающее максимальной поглощательной способностью, имеет и наибольшую излучательную способность.
Закон Кирхгофа остается справедливым и для монохроматического излучения. Отношение интенсивности излучения тела при определенной длине волны к его поглощательной способности при той же длине волны для всех тел одно и то же, если они находятся при одинаковых температурах, и численно равно интенсивности излучения абсолютно черного тела при той же длине волны и температуре, т.е. является функцией только длины волны и температуры.
Поэтому тело, которое излучает энергию при какой-нибудь длине волны, способно поглощать ее при этой же длине волны. Если тело не поглощает энергию в какой-то части спектра, то оно в этой части спектра и не излучает.
Из закона Кирхгофа также следует, что степень черноты серого тела при одной и той же температуре численно равно коэффициенту поглощения.
|