Современные представления о теплопередаче

Передачу внутренней энергии от теплой или горячей поверхности конструкций в пространство называют теплообменом, или теплопереносом. Передача теплоты вследствие теплопроводности происходит самопроизвольно от одной изометрической поверхности к другой в сторону, где температура ниже. Таким образом, необходимым условием передачи теплоты является наличие перепада температур (температурный градиент). При этом передача теплоты происходит по нормали к изометрической поверхности.

Процесс изменения внутренней энергии без совершения работы над телом или самим телом называется теплопередачей. Внутренняя энергия, как и всякий иной вид энергии, может передаваться от одного тела к другому. Перенос энергии от более нагретых участков тела к менее нагретым в результате теплового движения и взаимодействия частиц называется теплопроводностью.

Теплопроводность можно показать на следующем опыте. Закрепляют один конец толстой медной проволоки в штативе, а к проволоке прикрепляют воском гвозди. При нагревании свободного конца проволоки в пламени спиртовки воск плавятся, и гвозди постепенно отпадают от проволоки. Сначала отпадут те, которые расположены ближе к пламени, затем по очереди все остальные. Это происходит потому, что сначала увеличиваются скорости колебательного движения частиц металла в том конце проволоки, который ближе к пламени. Температура этого конца повышается. В результате взаимодействия увеличивается скорость движения соседних частиц, то есть повышается температура следующей части проволоки. Затем увеличивается скорость колебаний следующих частиц и т.д.

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 три основных вида теплопередачи: теплопроводность, конвекция и лучистый теплообмен.

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). Теплопроводность в чистом виде наблюдается в сплошных твердых телах. Тепло передается либо через материал, либо от одного материала к другому через соприкосновение.

Интенсивность теплопередачи за счет теплопроводности зависит от градиента температуры, т.е. отношения d Т/dх разности температур на концах стержня к расстоянию между ними. Она зависит также от площади поперечного сечения стержня и коэффициента теплопроводности материала. Соотношение между этими величинами было выведено французским математиком Ж.Фурье и имеет следующий вид:

где q - тепловой поток, λ - коэффициент теплопроводности, а А -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, поэтому для поддержания в помещении нужной температуры остается уменьшать теплопроводность стен, т.е. улучшать их теплоизоляцию.

Тепловое и электрическое сопротивление многих веществ резко уменьшается при понижении температуры ниже температуры жидкого гелия (1,8 К). Это явление, называемое сверхпроводимостью, используется для повышения эффективности работы многих устройств - от приборов микроэлектроники до линий электропередачи и больших электромагнитов.

Конвекция характерна для газообразных сред. Конвективный теплообмен наблюдается, например, у поверхности стен при наличии температурного перепада между конструкцией и соприкасающимся с ней воздухом, а также в стеновых изделиях с большими размерами пустот и пор, в окнах между поверхностями остекления, обращенными внутрь воздушной прослойки. Нагреваясь от внутреннего стекла, теплый воздух поднимается вверх и при соприкосновении с холодным наружным стеклом отдает свое тепло. Охлаждаясь, воздух опускается вниз. Такая циркуляция в воздушной прослойке обуславливает конвективный теплообмен. Чем больше разность температур поверхностей, тем интенсивней теплообмен между ними.

Передача тепла излучением происходит в газообразной среде, например, между двумя поверхностями, расположенными в стене и разделенными воздушной прослойкой. Другой пример: нагретая поверхность радиатора излучает тепло и обогревает помещение. Чем выше температура поверхности отопительного прибора и чем больше его площадь, тем интенсивнее обогревается помещение. Тепло, попадающее на какую-либо поверхность, частично отражается от нее, частично поглощается. Светлая и гладкая поверхность отражает большую часть попадающей на нее энергии. Чем темнее и неоднородней поверхность, тем большую часть она поглощает. Поглощенная энергия превращается в тепловую и вызывает повышение температуры.