Основной закон теплопроводности

ПРЕЗЕНТАЦИЯ ЛЕКЦИЙ: ОСНОВЫ ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ

Глава 1. Основные положения теплопроводности

1.1. Виды теплообмена

1.2. Основные понятия и определения

1.3. Основной закон теплопроводности

1.4. Дифференциальное уравнение теплопроводности

1.5. Краевые условия. Расчётное уравнение теплоотдачи

Глава 2. Теплопроводность при стационарном режиме и граничных условиях первого рода

2.1. Теплопроводность через однослойную плоскую стенку

2.2. Теплопроводность через многослойную плоскую стенку

2.3. Теплопроводность через однослойную цилиндрическую стенку

2.4. Теплопроводность через многослойную цилиндрическую стенку

2.5. Теплопроводность через шаровую стенку

2.6. Теплопроводность тел различной формы

Глава 3. Теплопроводность при стационарном режиме и граничных условиях третьего рода. Коэффициент теплопередачи

3.1. Передача теплоты через плоскую однослойную и многослойную стенки (теплопередача)

3.2. Передача теплоты через цилиндрическую однослойную и многослойную стенки

3.3. Критический диаметр изоляции

3.4. Передача теплоты через шаровую стенку

3.5. Передача теплоты через ребристую стенку

3.6. Интенсификация теплопередачи

Глава 4. Конвективный теплообмен

4.1. Основы теории конвективного теплообмена: физические свойства жидкостей, режимы течения и пограничный слой

4.2. Основы теории подобия: числа подобия и теоремы подобия

4.3. Приведение дифференциальных уравнений конвективного теплообмена и условий однозначности к безразмерному виду

4.4. Уравнения подобия

Глава 5. Теплообмен излучением

5.1. Общие сведения о тепловом излучении

5.2. Основной закон поглощения

5.3. Теплообмен излучением между твердыми телами: параллельные пластины; теплообмен излучением между телами, одно из которых находится внутри другого; произвольно расположенные тела

5.4. Экраны

5.5. Излучение газов

5.6. Сложный теплообмен

5.7. Теплообмен излучением в котельных топках

ГЛАВА 1. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ

Виды теплообмена

Процесс теплопередачи может осуществляться тремя способами. В связи с этим различают три основных вида теплообмена: теплопроводность; конвекция; лучистый теплообмен.

Теплопроводность – это явление передачи энергии с помощью непосредственного взаимодействия атомов или молекул или путём диффузии свободных атомов или молекул.

Конвекция – процесс переноса тепла движущимися частицами из одной точки пространства в другую. В идеальном случае при конвекции не может осуществляться передача тепла. Данный процесс характерен для жидких и газообразных сред.

На основании этого для реальных процессов сложное совместное явление конвекции и теплопроводности получило название конвективного теплообмена.

В зависимости от причины, вызывающей движение жидкости и газа, конвективный теплообмен подразделяют на два вида:

• конвективный теплообмен при свободном движении среды (сводная конвекция);
• конвективный теплообмен при вынужденном движении среды (вынужденная конвекция).

Теплопередача, осуществляемая тепловым излучением, или лучистым теплообменом, характеризуется тем, что нагретое тело способно превращать часть энергии, принадлежащей телу, в лучистую энергию, которая передаётся от одного тела к другому. Встречая на своём пути какое-нибудь тело, тепловые лучи частично поглощаются и снова превращаются в теплоту, частично отражаются и частично проходят сквозь тело. Тепловые лучи подчиняются всем законам световых лучей: законам отражения, преломления и поглощения.

Основные понятия и определения

Теплообмен между стенкой и соприкасающейся с ней жидкостью (газом) носит название теплоотдачи.

Тело, имеющее более высокую температуру Т₁, называется теплоотдающим телом. Второе тело, имеющее более низкую температуру Т₂, называется тепловоспринимающим телом.

Количество тепла, проходящее через данную поверхность в единицу времени, называется тепловым потоком и обозна­чается Q (Вт). Тепловой поток, проходящий через единицу поверхности, называется удельным тепловым потоком и обозначается q (Вт/м²).

Теплообмен между жидкостями (газами или газом и жидко­стью), разделенными твердой стенкой, называется теплопередачей через стенку.

Температурным градиентом называется предел отношения – изменения температуры к расстоянию по нормали к изотермической поверхности при стремлении последнего к нулю.

(2.7)

Температурный градиент есть вектор, направленный по нормали к изотермической поверхности в точке А. За положительное на­правление градиента принимают направление возрастания темпе­ратур. Для разных точек, лежащих на одной и той же поверхности уровня, величина градиента неодинакова: она будет больше там, где меньше расстояние Dn между поверхностями уровня.

Основной закон теплопроводности

Количественная оценка тепла, проходящего внутри данного тела вследствие теплопроводности, базируется на гипотезе, высказанной в 1822 году французским ученым Фурье. По этой гипотезе элементарное количество тепла dQ, проходящее через элемент изотермиче­ской поверхности dF за промежуток времени dt, пропорционально температурному градиенту :

.

Если отнести количество тепла, переданное посредством теплопроводности, к единице изотермической поверхности и к единице времени, то получим удельный тепловой поток

.

Вектор

,

называемый тепловым потоком, нормален к поверхности уровня и направлен в сторону убывания температуры.