Теория теплообмена. Теплопроводность. Основные положения теории теплопроводности. Теплопроводность при стационарном режиме. Теплопроводность при нестационарном режиме. Теплообмен при фазовых превращениях, страница 3

Распространение тепла в металлах теплопроводностью обусловливается движением свободных электронов, ведущих себя подобно молекулам газа. Они перемещаются между атомами твердого тела и осуществляют передачу тепла.

В жидкостях и твердых телах диэлектриках теплопроводность происходит с помощью упругих волн (колебаний).

Конвективным теплообменом называют перенос тепла в пространстве, осуществляемый перемещающимися частицами жидкости или газа. При перемещении в пространстве различно нагретых частиц происходит их соприкосновение, поэтому возникает теплообмен теплопроводностью. Следовательно, конвективный теплообмен представляет собой совокупное действие двух процессов – конвекции и теплопроводности.

В зависимости от причины, вызывающей движение жидкости или газа, различают конвективный теплообмен при свободном движении жидкости (свободная конвекция) и конвективный теплообмен при вынужденном движении жидкости (вынужденная конвекция). Свободная конвекция – это такое движение, которое возникает вследствие разности плотностей нагретых и холодных частиц жидкости. Интенсивность такой конвекции зависит от тепловых условий процесса: рода жидкости, разности температур и объема пространства, в котором протекает процесс.

Вынужденная конвекция – это движение, возникающее под действием внешнего силового поля на жидкость (ветра, насоса, вентилятора). Это движение зависит от рода и физических свойств жидкости или газа, температуры, скорости движения, формы и размеров пространства. В технике для повышения теплопередачи часто используют вынужденную конвекцию.

Лучистым теплообменом или тепловым излучением называют процесс распространения тепла между телами в пространстве электромагнитными волнами. Тепловая энергия при излучении переходит в волновую, а затем волновая переходит в тепловую при поглощении телом. Такими свойствами обладают световые и инфракрасные лучи с длиной волны от 0,4 до 40 мкм. Это тепловые лучи.

В действительности все перечисленные виды теплообмена в чистом виде встречаются редко. В большинстве случаев один вид теплообмена сопровождается другим. Рассчитать процесс теплопередачи при совокупном действии всех трех видов теплообмена – такая задача часто возникает (указать пример). Но комплексное изучение законов сложного теплообмена является затруднительным. Более того, в природе передача тепловой энергии часто сопровождается переносом вещества. Например, при испарении воды в воздух помимо теплообмена имеет место и перенос образовавшегося водяного пара в паровоздушной смеси. Это еще более усложняет решение задачи теплообмена. Дело в том, что в общем случае перенос пара осуществляется как конвективным, так и молекулярным путем. Совместный перенос массы называют конвективным массообменом.

Поэтому методически изучают отдельно законы каждого из видов тепло- и массообмена. Это оправдано тем, что законы теплопроводности, конвективного теплообмена, лучистого теплообмена существенно различаются между собой. В некоторых случаях в практических работах пренебрегают каким-либо видом теплообмена в силу малости в сравнении с другим видом теплообмена.

Аналитическая теория теплопроводности игнорирует молекулярное строение вещества и рассматривает вещество как сплошную среду. Такой подход правомерен, если размер объектов исследования достаточно велик по сравнению с размерами молекул и расстоянием между ними.

2. Теплопроводность. Основные положения теории теплопроводности

2.1. Температурное поле

В общем случае процесс передачи тепла теплопроводностью в твердом теле сопровождается изменением температуры в пространстве и во времени. Аналитическое исследование теплопроводности сводится к нахождению уравнения

                                                        .                    (*)

Выражение (*) является математическим выражением температурного поля. Температурным полем называется совокупность значений температуры во всех точках изучаемого пространства для каждого момента времени.

Различают температурное поле стационарное и нестационарное.