Основы теории теплообмена.

Теплопередача – наука, занимающаяся изучением теплообмена между телами и распределением температуры в телах.

Основные формы передачи теплоты:

1. Теплопроводность.

2. Конвективный теплообмен.

3. Лучистый теплообмен.

Теплопроводность представляет собой процесс передачи теплоты путем непосредственного соприкосновения тел или отдельных частей тела, имеющих различную температуру. При этом процесс теплообмена происходит за счет передачи энергии микродвижения одних частиц другим.

В чистом виде теплопроводность наблюдается в твердых телах, а также в неподвижных газах и жидкостях в том случае, когда в них отсутствует конвекция.

Тепловой поток , .

Закон Фурье: тепловой поток пропорционален градиенту температуры и площади, то есть .

Плотность теплового потока , .

Коэффициент теплопроводности - количество теплоты, которое проходит в единицу времени через единицу поверхности через единичную толщину стенки при перепаде температуры в один градус, .

Конвективный теплообмен – процесс передачи теплоты, который осуществляется в пространстве (в объёме), за счёт движения макро частиц.

В этом процессе идёт совместное действие конвекции (движения) и передачи теплоты за счёт теплопроводности.

Уравнение Ньютона: , где - толщина приграничного слоя, в котором теплопередача происходит за счёт теплопроводности; - коэффициент конвективного теплообмена, .

Лучистый теплообмен – передача теплоты осуществляется в пространстве за счёт энергии электромагнитных волн.

Закон Стефана-Больцмана: , где - интенсивность излучения абсолютно чёрного тела.

Уравнение Ньютона-Рихмана: , где - коэффициент лучистого теплообмена.

Теплопроводность.

Температурное поле – совокупность значений температур в отдельных точках тела в зависимости от времени и пространственных координат.

Математическая запись нестационарного трёхмерного температурного поля: . Математическая запись стационарного трёхмерного поля: . Это поле называется стационарным, так как .

Изотермическая поверхность – геометрическое место точек имеющих одинаковую температуру.

Изотерма – пересечение изотермической поверхности с перпендикулярной плоскостью.

Изотермическая поверхность либо замыкается внутри тела, либо обрывается на его границе.

Температурный градиент есть вектор направленный по нормали к изотермической поверхности в сторону возрастания температуры и численно равный пределу отношения изменения температуры к расстоянию между изотермами по нормали ( 0 С/м )

Закон Фурье:

Тепловой поток: , .

Плотность теплового потока: , , .

Задачи теории теплопроводности:

1. Найти нестационарное трёхмерной температурное поле, .

2. Найти тепловой поток и плотность теплового потока, , .

Вопрос №32

Дифференциальное уравнение теплопроводности.

Условности:

1. Теплофизические свойства системы: , , .

2. Микрочастицы тела неподвижны.

3. Внутренние источники теплоты распределены в теле равномерно.

Где – коэффициент температуропроводности, характеризующий скорость изменения температуры в любой точке тела, ;

– теплоемкость тела; – плотность тела; – объемная плотность тепловыделения, вm/м 3 ; – температура; – оператор Лапласа.

(для полярных координат , , ), .

Условия однозначности – математическое описание частных особенностей рассматриваемого процесса.

Решая уравнение , получим общее решение, которое в совокупности с условиями однозначности даст нам частные решения.

Условные однозначности:

1. Геометрические условия:

a. Форма тела:

i. Плоское тело.

ii. Цилиндрическое тело.

iii. Сферическое тело.

b. Ограниченное тело.

c. Неограниченное тело.

2. Физические условия:

a. Характер изменения физических параметров:

i. Характер изменения .

ii. Характер изменения .

iii. Характер изменения .

iv. Характер изменения .

3. Начальные условия (временные):

4. Граничные условия:

a. Граничные условия первого рода – закон изменения температуры на границе тела:

b. Граничные условия второго тела – закон изменения температурного потока в стенке тела:

c. Граничные условия третьего рода:

i. Закон изменения температуры окружающей среды.

ii. Закон, по которому идёт теплообмен тела с окружающей средой, .

d. Граничные условия четвёртого рода, .

Вопрос №33

1. Плоская стенка.

Дано: , , .

Найти: , , .

Решение:

Общее решение: .

Граничные условия: .

Термическое сопротивление плоской стенки - .

Отношение называется тепловой проводимостью стенки.

Вопрос №34

Рассмотрим передачу тепла теплопроводностью через плоскую трехслойную стенку (рис. 2б) при условиях: толщина слоев стенки , , ;

коэффициенты теплопроводности материалов соответственно , , ; контакт между стенками идеальный и температура на границе смежных слоев одинакова. Перенос тепла происходит в стационарных условиях – плотность теплового потока по всем слоям стенки имеет одно и то же значение (q=idem ). В этих условиях:

Выделим из этого ряда равенств разности температур (падение температуры по слоям стенки)

Складывая левые и правые части уравнений разности температур, получаем слева изменение температуры в стенке , справа – произведение плотности теплового потока q и общего термического сопротивления

Таким образом, для плотности теплового потока при переносе тепла теплопроводностью через плоскую трехслойную стенку получим следующее выражение:

В общем случае для стенки, состоящей из n – слоев , это выражение запишется так:

где R – общее термическое сопротивление многослойной стенки.

Вопрос №35

Количество теплоты, отдаваемое жидкостью твердой стенке или воспринимаемое жидкостью от стенки, определяется уравнением Ньютона–Рихмана

а плотность теплового потока следующим образом

где α – коэффициент, характеризующий условия теплообмена между жидкостью и поверхностью твердого тела, называемый коэффициентом теплоотдачи , Вт/(м 2 ·°C) ; – температурный напор, 0 С .

В соответствии с формулой (61) по своему физическому смыслу коэффициент теплоотдачи есть плотность теплового потока (q) на поверхности тела, отнесенная к разности температур поверхности тела и окружающей среды. Коэффициент теплоотдачи численно равен плотности теплового потока при температурном напоре, равном единице.

Коэффициент теплоотдачи зависит от многих факторов. В наиболее общем случае является функцией формы и размера тела, режима движения жидкости, физических свойств жидкости, положения в пространстве и состояние поверхности теплообмена и других величин. Процесс теплоотдачи в зависимости от природы движения жидкости протекает различно.

Вопрос №36

Лучистый теплообмен.

Твёрдые тела излучают и поглощают энергию во всём диапазоне длин волн поверхностным слоем. Интенсивность излучения зависит только от температуры. Жидкости ведут себя аналогичным образом. Газы излучают и поглощают энергию в ограниченном диапазоне длин волн всем объёмом. Интенсивность излучения газов зависит от температуры, толщины слоя и парциального давления компонентов.

Лучистая энергия - энергия, излучаемая телом во всём диапазоне длин волн, .

Интенсивность излучения – количество энергии, излучаемой с единицы поверхности, .

Лучистую энергию можно найти по формуле: .

Закон сохранения энергии: .

Где - коэффициент отражения, - коэффициент поглощения, - коэффициент прозрачности.

Если , то есть ,то тело называется абсолютно белым.

Если , то есть , то тело называется абсолютно чёрным.

Плотность интегрального излучения, отнесенная к рассматриваемому диапазону длин волн, называется спектральной интенсивностью излучения (Вт/м 3):

Угловая интенсивность: .

Спектральная угловая интенсивность: .

Закон Планка устанавливает зависимость интенсивности излучения абсолютно черного тела E 0λ от длины волны λ и температуры Т

Закон Стефана-Больцмана: .

Степень черноты: .

3акон Кирхгофа формулируется так: отношение плотности полусферического интегрального излучения к поглощательной способности одинаково для всех тел имеющих одинаковую температуру и равно плотности интегрального полусферического излучения абсолютно черного тела при той же температуре : , где - коэффициент поглощения.

Количество теплоты, которое останется у одного из двух тел: .

Закон смещения Вина гласит – длина волны, которой соответствует максимальное значение интенсивности излучения (E 0λ =max) , обратно пропорциональна абсолютной температуре рис.11

Вопрос №37

Теплообмен излучением между твердыми телами.

На основании законов излучения получено расчетное уравнение лучистого теплообмена между телом 1 произвольной формы и поверхностью другого, большего и охватывающего его тела 2 (рис. 14)

где Q 1,2 – тепловой поток, передаваемый излучением телом 1 телу 2, Вт;

ε 1,2 – приведенная степень черноты тел 1 и 2, определяемая из выражения

F 1 и F 2 – площади поверхностей тел 1 и 2, м 2 ; Т 1 и Т 2 - абсолютная температура поверхностей тел 1 и 2, К.

Такой случай еще называют теплообменом излучением между телом и его оболочкой; внутреннее тело всегда тело 1.

Частный случай рассмотренного теплообмена - теплообмен между двумя параллельными неограниченными стенками (рис. 15). Когда F 1 = F 2 = F , применяют расчетное уравнение теплообмена излучением, а приведенная степень черноты определяется из выражения

Уравнение (2.57)можно использовать для расчета лучистого теплообмена между двумя телами любой формы и произвольного их расположения, только в каждом частном случае для определения приведенных степени черноты и поверхности (для ε 1,2 и F 1,2 ) имеются свои расчетные выражения.

Вопрос №38

Теплопередача чрез плоскую однослойную и многослойную

плоскую стенку

Уравнение теплопроводности: .

Граничные условия первого рода: .

Граничные условия третьего рода: , .

В этом ряду равенств первое уравнение определяет количество теплоты, передаваемой конвекцией (и излучением) от горячего теплоносителя к стенке; второе уравнение – то же количество теплоты, передаваемой теплопроводностью через стенку; третье уравнение – передачу того же самого количества теплоты, передаваемого конвекцией (и излучением) от стенки к холодному теплоносителю.

Выделим из этого ряда равенств разности температур

Складывая левые и правые части уравнений характеризующих разности температур и учитывая, что получим выражение для итоговой разности температур

где –термическое сопротивление плоской стенки (м 2 0 С\Bm )

Отсюда, следует выражение для плотности теплового потока и теплового потока (уравнение теплопередачи плоской стенки)

где q – плотность теплового потока (Вт/м 2) ;

Q – тепловой поток (Вт) ;

k=1/R – коэффициентом теплопередачи плоской стенки (Вт/м 2 ºС)

где -термическое сопротивление теплопередачи плоской стенки (м 2 ºС/Вт);

; - термические сопротивления теплоотдачи со стороны горячего теплоносителя, теплопроводности плоской стенки и термические сопротивления теплоотдачи со стороны холодного теплоносителясоответственно.

Температура внутренней и наружной поверхности стенки определяется из следующих соображений:

отсюда имеем

В случае многослойной стенки

Вопрос № 39

Теплопередача – передача теплоты от одного носителя к другому через разделяющую их твёрдую поверхность.

Стационарный процесс – процесс, при котором температуры сред не меняются, то есть .

Нестационарный процесс – процесс, при котором температуры сред меняются, то есть .

Для криволинейных стенок коэффициент теплопередачи принято определять по тому же уравнению, что и для плоской стенки В этом случае для криволинейных стенок расчетная поверхность теплопередачи определяется из выражения

Водяной эквивалент поверхности теплопередачи .

Для цилиндрических стенок: .

Линейный коэффициент теплопередачи: .

Коэффициент теплопередачи для внутренней стенки: .

Коэффициент теплопередачи для внешней стенки: .

Вопрос №40-41

Классификация теплообменных аппаратов.

1. По типу действия:

a. Аппараты поверхностного типа – аппараты, в которых передача теплоты идёт при наличии твёрдой поверхности.

i. Регенеративные аппараты – аппараты поверхностного типа, в которых твёрдая поверхность попеременно омывается горячим и холодным теплоносителями. Эти аппараты используются в случаях, когда теплоносители обладают высокими температурами, или когда теплоносители не являются чистыми.

ii. Рекуперативные аппараты – аппараты поверхностного типа, в которых твёрдая поверхность омывается непрерывно горячим и тёплым теплоносителями через разделяющиеся поверхности.

1. Кожухо-трубные теплообменные аппараты.

2. Аппараты типа «труба в трубе»:

a. Однопоточные аппараты типа «труба в трубе».

b. Многопоточные аппараты типа «труба в трубе».

b. Аппараты смесительного типа – аппараты, в которых идёт непосредственное перемешивание горячих и холодных теплоносителей.

Схема аппарата типа «труба в трубе»:

Аппараты такого типа имеют простую конструкцию и высокие скорости потока, однако, для получения больших мощностей аппарата требуется установка большого количества элементов конструкции и сам аппарат будет занимать много места.

Схема аппарата кожухо-трубчатого типа:

В таких аппаратах возможно создание прямоточных, противоточных, перекрёстноточных, U-образных симметричных и других потоков.

Тепловой баланс теплообменного аппарата: , где - коэффициент эффективности теплового аппарата, .

1. (гидравлическое сопротивление мало), тогда , , , при .

2. Конденсатор.

3. Испаритель.

Мощность теплового аппарата (уравнение Гросгофа) : , где - средняя разность температур.

Для прямотока: , .

Для противотока: , .

Где и - водяные эквиваленты поверхности теплообмена.

Для любой схемы может быть определено в соответствие с двумя методиками:

1. Классическая методика: , где - коэффициент, зависящий от типа и свойств теплого аппарата, определяется по графикам функций и .

2. Метод Белоконя. Индекс противоточности:

Для прямотока .

Для противотока .

Для U-образной симметричной схемы .

Для любой схемы средняя разность температур: .

Вопрос №42

Различают два типа расчётов тепловых аппаратов:

1. Расчёт первого рода (конструктивный). Известно: , , , , , , , . Задача: Выбор или конструирование теплообменного аппарата ( , ). , и - температура конденсации.

1. Парокомпрессионные холодильные машины, в которых рабочим телом является пар, а рабочий процесс протекает в компрессоре.

2. Воздушные холодильные машины, в которых рабочим телом является воздух.

3. Абсорбционные холодильные машины, в которых идёт поглощение паров водными растворами.

4. Пароструйные холодильные машины, имеющие инжекторы в качестве исполнительного механизма.

Рабочий процесс парокомпрессионной холодильной установки:

1-2 – адиабатическое сжатие; 4-5 – процесс дросселирования.

Схема парокомпрессионной холодильной установки:

Такие установки работают в следующем интервале температур: .

8. Пароструйные холодильные машины, имеющие инжекторы в качестве исполнительного механизма.

Электротермические процессы связаны с преобразованием электрической энергии в тепловую с переносом тепловой энергии внутри тела (твердого, жидкого, газообразного) или из одного объема в другой по законам теплопередачи.

Теплопередачей (теплообменом) называется переход тепла из одной части пространства к другой, от одного тела к другому или внутри тела от одной его части к другой. Непременным условием теплообмена является наличие разности температур отдельных тел или участков тел .

Различают стационарный и нестационарный теплообмен (рис. 2.1).

Существуют три вида теплообмена, три различных способа передачи тепла (рис. 2.2).

Теплопроводность обусловлена тепловым движением и энергетическим взаимодействием микрочастиц (молекул, атомов, электронов), частицы с большей энергией (более нагретые и, следовательно, более подвижные) отдают часть своей энергии менее нагретым (менее подвижным). Скорость теплопередачи в этом случае зависит от физических свойств вещества, в частности от его плотности. У плотных тел (металл) скорость теплопередачи больше, у пористых (пенопласт) – меньше.

Тепловой поток через плоскую стенку при установившемся режиме (определяется по закону Фурье) пропорционален разнице температур поверхности стенки и обратно пропорционален термическому сопротивлению стенки.

При передаче теплоты излучением энергия передается в форме электромагнитных волн. Этот вид теплопередачи может иметь место лишь в прозрачной для этих лучей среде.

Каждое непрозрачное нагретое тело, находящееся в прозрачной среде, излучает во все стороны лучистую энергию, распространяющуюся со скоростью света. При встрече с другими полностью или частично непрозрачными телами эта лучистая энергия вновь превращается (полностью или частично) в тепло, нагревая эти тела. Следовательно, лучистый теплообмен сопровождается двойным превращением энергии – тепловой энергии в лучистую и затем вновь лучистой в тепловую.

Если температуры тел, между которыми осуществляется лучистый теплообмен, различны, то в результате теплообмена между ними тепло будет передаваться от более нагретого тела к менее нагретому, одно из них будет нагреваться, а другое – снижать свою температуру.

При излучении нагретого тела в неограниченное пространство (при односторонней теплопередаче) лучистый тепловой поток пропорционален постоянному коэффициенту излучения абсолютно черного тела, степени черноты тела, численно равной его поглощающей способности, и абсолютной температуре нагретого тела.

Рис. 2.2. Классификация теплообмена по способу передачи тепла

Аналитическое решение задач, связанных с конвективным теплообменом, представляет значительные трудности, поскольку этот процесс описывается сложной системой дифференциальных уравнений. Поэтому задачи конвективного теплообмена решают с использованием экспериментально полученных констант и величин. Тепловой поток конвективного теплообмена определяют на основании закона Ньютона – Рихмана. По этому закону тепловой поток прямо пропорционален поверхности омывания, режиму движения теплоносителя (коэффициент теплоотдачи) и разности температур стенки и газа или жидкости.

Фаттахов Мухамад

Исследовательская работа по физике: Теплопередача. Виды теплопередачи.

Скачать:

Предварительный просмотр:

Конкурс исследовательских работ в рамках Малой академии наук школьников

Республики Башкортостан.

Секция: Физика

Исследовательская работа

“Теплопередача. Виды теплопередачи”

Обучающийся 8 класса

МОБУ СОШ с. Сухоречка

Руководитель: Панова Зульфия

Хайдаровна, учитель

МОБУ СОШ с. Сухоречка

2017-2018 учебный год

С. Сухоречка

1. Введение.Актуальность данной темы……………………………….................3

2. Тема, цели, задачи, этапы проекта………………………………………………4

3. Основная часть……………………………………………………………………6

3.1. Теплопередача и ее виды……………………………………………………6

3.2. Значение теплопередачи в природе и в жизни людей…...........................9

3.3. Применение видов теплопередачи в жизни................................………..10

3.4. Опыты………………………………………………………………………..11

4. Заключение………………………………………………………………………..17

5. Литератураи информационные ресурсы ………………………………………..18

1.Введение.

Но как же жизнь бываетнепроста

с той дамой,что зовётся «Теплота»!

С раннего детства и на протяжении всей своей жизни человек пытается найти ответы на тысячи вопросов, связанных с происходящими вокруг него явлениями. Тысячи "Почему" звучит из уст ребёнка, пока он растёт. На многие вопросы мы находим ответы сами по мере взросления. Другие остаются загадкой. Так и я, открывая мир вокруг, пытался найти объяснение тому, что видел, с чем сталкивался. Особенно меня интересовали вопросы, связанные с теплом и его передачей. Одни ответынаходил изучая природу, другие доказывал с помощью опытов, а всю информациюнашел в одном предмете под названием “Физика”. Одним из самых задаваемых вопросов в физике стал вопрос “Как же передаётся тепло? Как его сохранить”. Данный вопрос, по моему мнению, актуален и в наше время, так как человек разрабатывает новые материалы, которые лучше сохраняют тепло, как в строительстве, так и в одежде. Ответ на вопрос, конечно же, есть в обычном учебнике по физике, но чтобы удостовериться, я еще лично проведу исследовательскую работу.

Актуальность исследовательской работы состоит в изучении современных достижений науки и техники в области теплопередачи на экспериментальном уровне и это вызывает живой интерес в исследовании данной темы.

В зимнее время года возникает необходимость утеплять как самих себя, так и своё жильё, желательно используя современные достижения науки. Изучение этих достижений и определило выбор темы исследования .

2.Тема, цели, задачи, этапы проекта.

Цели моего исследования являются:

• изучить различные виды теплопередачи и их применение в нашей жизни;
• изучение литературы по теме;
• рассмотрение роли видов теплопередачи в живой и неживой природе и использование их в жизни человека;
• практическое исследование особенностей теплопроводности, конвекции, излучения;
• подготовка и проведение демонстраций теплопроводности, конвекции, излучения;

При исследовании я ставил перед собой следующие задачи :

• Изучить явление теплопередачи.
• Рассмотреть виды теплопередачи и их применение.
• Провести опыты по различным видам теплопередачи.
• Проанализировать и обобщить полученные данные.

Объект исследования – процесс теплопередачи.

Предмет исследования - теплопередача и ее виды;

Гипотезы исследования- 1) предположим, что явление теплопередачи не имеет применения в жизни; 2) возможно, что виды теплопередачи имеют широкое применение в нашей жизни.

Этапы работы над проектом:

1. Выбортемы.
2. Изучениелитературы.
3. Выполнение исследовательской части работы, подготовка материала.
4. Оформлениеработы.
5. Подготовка и выступление на итоговой конференции.

Методыисследования:

Изучение теории, сравнение, проведение опытов, обобщение и анализ полученных результатов .

Практическаязначимость: использование теоретических знаний на практике.

Моя работа предусматривала несколько этапов:

Первыйэтап - подготовительный – заключался в обсуждении темы, определении цели и задачи проекта;

Второйэтап - основной – заключался в проведении опытов и обработкерезультатов.

Апробация исследования.

Материалы исследования могут быть использованы на уроках физики, во внеклассной работе и в повседневной жизни.

3. Основная часть.

3.1Теплопередача. Виды теплопередачи.

Еще в 1744-1745 гг. М. В. Ломоносов в своих «Размышлениях о причине теплоты и холода» высказал утверждение о том, что тепловые явления обусловлены движением частиц тела - его молекул.

Но к XVIII столетию теплоту представляли себе в виде невесомой и невидимой жидкости, пропитывающей поры тела, как вода пропитывает губку. Действительно, мы замечаем, что тепло от огня в очаге передается через стенки котла в воду, из воды - в погруженную в нее ложку. Любой человек сумеет найти множество примеров, подтверждающих это представление.Эта жидкость не только невидима, но и невесома. Эту жидкость назвали теплородом.

Опытное доказательство правильности идей Ломоносова было дано лишь в конце XVIII в. Это сделал английский физик Румфорд. Следя за изготовлением пушек в Мюнхенском арсенале, он обратил внимание на то, что при сверлении и ствол пушки, и сверло сильно разогреваются.

И так,т еплопередача , по слову можно понять, что это передача тепла. Это физический процесс изменения внутренней энергии без совершения работы над телом или самим телом называется теплопередачей. Существует 3 вида теплопередачи.

Первый вид – это теплопроводность. Теплопроводность – это явление передачи внутренней энергии от одной частитела к другой или от одного тела к другому при их непосредственном контакте.

Второй вид – это конвекция. Конвекция – это вид теплообмена, при котором внутренняя энергия передается струями и потоками.

Третий вид – это излучение. Излучение – это процесс испускания и распространения энергии в виде волн и частиц.

3.2. Значение теплопередачи в природе и в жизни людей.

Вот так мы узнали, какие бывают виды теплопередачи, а вот сейчас вопрос “Какое же их значение в природе, мире?”. Ответ кроется ещё в прошлом, когда люди еще незнали о теплопередачи, о её видах и свойствах, они пытались получить и сохранить тепло.В нашей жизни все способы теплопередачи работают одновременно. Редко бывает, когда эти способы действуют отдельно. Это можно доказать, нагревая воду в кастрюле. Сначала от горелки нагревается кастрюля (теплопроводность), затем начинает нагреваться вода (теплопроводность и конвекция). Тепло от кастрюли и воды передается по всем направлениям (излучение).Различные виды теплопередачи находят широкое применение в повседневной жизни, природе и технике. Например, батареи отопления устанавливаются ближе к полу и чаще всего у окна, так как воздух, находящийся около батареи, нагревается, расширяется, становится более легким и поднимается вверх. На его место опускаются более тяжелые холодные слои воздуха. Таким образом, постепенно воздух в комнате прогревается.

В природе благодаря явлению конвекции образуются теплые и холодные течения в океанах. Грязный снег в солнечную погоду тает быстрее, чем чистый, потому что тела с темной поверхностью лучше поглощают солнечное излучение и быстрее нагреваются.

К примеру, излучение. Мы знаем, что энергия передаётся в виде волн.

К примеру, солнце, образно говоря, греет землю, с помощью электромагнитных волн передаёт тепло земле или без конвекции в доме не было бы так тепло. Таких примеров можно приводить много.

3.3 Применение видов теплопередачи в жизни

Познакомившись с различными видами теплопередачи, можно многое объяснить:

• почему реки зимой не промерзают до дна;
• почему кирпичные стены дома, который строится рядом с нашим лицеем, обшивают листами пенопласта;
• почему у ТЭЦ такая высокая труба;
• почему между стеклами в рамах есть воздушный зазор;
• почему летом люди стараются носить светлую одежду, а зимой шубы и пуховики;
• почему окна с южной стороны летом закрывают серебристой фольгой;
• почему у термоса внутренняя поверхность зеркальная, а между внутренним и внешним сосудами пустота;
• почему в районах вечной мерзлоты здания строят на сваях;
• почему трубы от котельной до потребителя закрывают стекловатой;
• почему люди зимой носят темные одежды (черного, синего, коричного цвета), а летом светлые (бежевые, белые цвета);
• почему в районах с жарким климатом люди носят ватные халаты и меховые шапки;
• почему звери зимой надевают более густую шубу, а птицы сидят нахохлившись;
• почему животные, не имеющие волосяного покрова, имеют толстый слой подкожного жира.

Можно привести еще огромное количество интересных примеров применения теплопередачи в нашей жизни.

3.4 Опыты

Опыт №1 “Сравнение теплопроводности воды и воздуха”

Цель работы :проверить, где обычная банка с жидкостью быстро охладиться от 25 градусов комнатной температуры до самой низкой, в морозильнике или в воде с поваренной солью и льдом, то есть я сравню теплопроводность воздуха и воды.

Приборы и материалы : электрический термометр, обычный холодильник (морозильник). Не глубокая, но широкая посуда с водой, обычная соль, поваренная и лёд.

Ход работы:

У меня имеется 2 банки с жидкостью с комнатной температурой 25 градусов. Я наливаю в не глубокую чашку воду, накладываю туда небольшие куски льда и сыплю поваренную соль. Затем, одну банку с жидкостью я помещаю в морозильник, а другую в чашку с поваренной солью, водой и льдом. Жду 10 минут, и проверяю, где же лучше охладилась банка с жидкостью.

Прошло 10 минут, я одновременно достаю 2 банки с жидкостью и начинаю проверку. Проверка показала, что банка с жидкостью, которую я достал, с морозилки стала 20 градусов с 25 градусов комнатной температуры. Вторая банка, которая была, в соленой воде вместе со льдом стала 8 градусов с 25 градусов комнатной температуры.

Следовательно, вторая банка с жидкостью охладилась лучше, чем первая, потому что в морозильнике плохая теплопроводность, а вот в воде с солью лучше, потому что вода полностью покрывает банку с жидкостью, а в морозилке просто холодный воздух.

Вывод:

Выше приведённым опытом мною выявлено, что теплопроводность воды лучше, чем у воздуха. Вот табличные значения: теплопроводность воздуха 1Дж/кг*с и воды 4200 Дж/кг*с 0 .

Опыт №2 Вертушка.

Цель работы:узнать, будет ли вращаться вертушка из фольги, при определённом накале лампы.

Приборы и материалы: лампа, вертушка из тонкой фольги, остриё от компаса.

Ход работы:

Я достаю обычную лампу и подключаю её к розетки. Далее на вверх лампы ставлю остриё от компаса и помещаю туда тонкую вертушку из фольги. Включаю лампу, со временем вертушка начинает медленно вращаться, и чем больше времени лампа включена, тем вертушка крутиться быстрей.

Вывод:

Конвекция в воздухе всё- таки, есть, и я смог это доказать. Вертушка начала крутится под действием теплых струй воздуха, исходящих от лампы.

Опыт № 3 Теплопередача излучением

Цель работы: доказать, что с помощью волн электроплитки, направленных к теплоприёмнику, который соединён с левом коленом манометра, можно передать тепло так, что температура манометра будет изменяться, то есть увидеть излучение.

Инструменты и материалы: электроплитка, теплоприёмник, манометр.

Ход работы:

Я электроплиткуставлю вертикально в центре рядом, где стоит теплоприёмник, а справа ставлю манометр. Электроплитка имеет открытую спираль, а вот внутренняя полость теплоприёмника соединена с левом коленом манометра, правое колено манометра открыто. Разворачиваю теплоприёмник главной стороной к электроплитке, потом я включаю плитку и слежу за изменениями манометра.При включении электроплитки волны уходят к теплоприёмнику. А энергия, которая приходит к теплоприёмнику, отдаётся в манометр. И начинают изменяться показания температуры, она повышается.

Вывод:

Следовательно, энергия, получаемая от электроплитки теплоприемником, передавалась ни конвекцией, ни теплопроводностью, а именно излучением.

Рассуждение:

Из проведённых выше опытов было доказано, что у трёх видов теплопередачи существуют множество различных способов передавать свою энергию, то есть тепло.

Теперь представьте, чтобы стало с Землёй, если бы этих трёх способов передачи энергии не было?

Ответов на мой же один вопрос будет четыре. Сейчас я объясню, почему же всего лишь на один вопрос, так много ответов. Суть лежит в способах передачи, их всего 3 и к каждому будет ответ с объяснением. Что было бы, если бы не было излучения, и так и далее. А четвертый ответ, это объедённые ответы прошлых трёх, то есть главный ответ.

Вопрос№1 и ответ

Вопрос: Что было бы, если не было бы, теплопроводности в мире?

Ответ: теплопроводность нужна для проведения через предмет тепла, тем самым нагревая предмет. Множество людей попросту не смогли бы приготовить себе ужин и т.д.

Вопрос № 2 и ответ

Вопрос: что было бы, если не было бы, конвекции в мире?

Ответ: тепло от батарей не циркулировало бы по дому, не было бы движения воздушных масс, не было бы дождей вдали от рек морей и океанов, вся земля превратилась бы в пустыню.

Вопрос № 3и ответ

Вопрос: что было бы, если не было бы, излучения в мире?

Ответ: теплые тела перестали бы излучать тепло, это и костер и лампа; на небе светило бы солнце, но не грело бы; Земля превратилась бы в ледяную глыбу, так как не имело бы источников энергии; внутренние слои земли себе спокойно булькали бы при тысячах градусах, но тепло от них не проникало бы на поверхность земли.

Ответ № 4

(Главный)

1) 2) 3) - все эти случаи приводят к гибели Земли и всего, что есть на ней.

Вот, во что превратится Земля, если это произойдёт.

Она начнёт постепенно замерзать, то есть медленно умирать.

Вывод

Вот я узнал, к чему могут привести все случаи, а приведут, они как я говорил, к гибели Земли. Главное, что данные виды теплопередачи будут существовать все время, как они существовали, так и будут!

Заключение

Из всех моих приведённых объяснений, рассуждений, доказательств, опытов и выводов мною и моим учителем физики Пановой З.Х.было подтверждено, что

теплопередачей называют процесс передачи тепла от более нагретого тела к менее нагретому. Существует три вида теплопередачи: теплопроводность, конвекция, излучение. В жизни все они чаще всего действуют одновременно. Поэтому вокруг себя мы можем наблюдать множество примеров применения разных видов теплопередачи.

В ходе изучения этой темы стало понятно, что знания различных способов передачи тепла имеют большое значение в жизни человека. Применяя эти знания, можно многое объяснить. А ученые-технологи создают новые строительные материалы, которые хорошо защищают жилище человека от холода и воздействия атмосферных явлений.

Данная тема актуальна и сейчас, тем, что от теплопередачи и её видов и от их существования зависит жизнь людей, животных и всего мира. Ведь на первом месте у человека стоит, не как вы думаете, любовь, деньги, а жизнь. Жизнь это что-то уникальное, не просто какая-то вещь или игрушка, жизнь – это активное существование. Если бы человек не развивал науку, не было бы активного развития мира, того скачка вперёд, который полностью изменил жизнь не только человека, но и других живых существ. Человек благодаря науке физике изменил планету и выбрался в космос. Ведь именно физика, это то, что реально изменила, как и внутреннее, так и внешнее состояние жизни. Именно открытия в физике, это и есть тот скачок, прорыв в жизни людей, такие как полёт в космос, открытие закона падения камня, законов движения и сохранения энергии, открытие электрического тока.

Теплопередача, кажется, просто три способа передавать тепло, но если их не было бы или на это как-то повлиял человеческий фактор, то планета Земля закончила бы свое существование в космосе!

Литература и информационные ресурсы

1. Учебник физики 8 класс: Перышкин А.В.
2. Блудов М.И. Беседы по физике. – М.: Издательство «Просвещение», 1984.
3. Горев Л.А. Занимательные опыты по физике. – М.: Издательство «Просвещение», 1977.
4. Дитрих А.К., Юрмин Г.А., Кошурникова Р.В. Почемучка. – М.: Педагогика-Пресс, 1993.
5. http://уроки.мирфизики.рф

Любое материальное тело обладает такой характеристикой как теплота, которая может увеличиваться и уменьшаться. Теплота не является материальной субстанцией: как часть внутренней энергии вещества она возникает вследствие движения и взаимодействия молекул. Поскольку теплота различных веществ может отличаться, происходит процесс передачи тепла от более нагретой субстанции к веществу с меньшим количеством теплоты. Этот процесс носит название теплопередача. Основные и механизмы их действия мы рассмотрим в этой статье.

Определение теплопередачи

Теплообмен, или процесс переноса температуры, может происходить как внутри материи, так и от одного вещества к другому. При этом интенсивность теплообмена во многом зависит от физических свойств материи, температуры веществ (если в теплообмене участвуют несколько субстанций) и законов физики. Теплопередача - это процесс, который всегда протекает в одностороннем порядке. Главный принцип теплообмена заключается в том, что наиболее нагретое тело всегда отдаёт тепло объекту с меньшей температурой. Например, при глажке одежды горячий утюг отдаёт тепло брюкам, а не наоборот. Теплопередача - явление, зависимое от временного показателя, характеризующее необратимое распространение тепла в пространстве.

Механизмы теплопередачи

Механизмы теплового взаимодействия веществ могут приобретать разные формы. Известны три вида теплообмена в природе:

1. Теплопроводность - механизм межмолекулярной передачи тепла из одного участка тела в другой или в иной объект. Свойство основывается на неоднородности температуры в рассматриваемых субстанциях.
2. Конвекция - теплообмен между текучими средами (жидкая, воздушная).
3. Лучевое воздействие - передача тепла от нагретых и нагреваемых за счёт своей энергии тел (источников) в виде электромагнитных волн с постоянным спектром.

Рассмотрим перечисленные виды теплообмена более подробно.

Теплопроводность

Чаще всего теплопроводность наблюдается в твёрдых телах. Если под воздействием каких-либо факторов у одного и того же вещества появляются участки с разными температурами, то тепловая энергия из более нагретого участка перейдёт к холодному. Подобное явление в некоторых случаях можно наблюдать даже визуально. Например, если взять металлический стержень, скажем, иголку, и нагреть его на огне, то через какое-то время увидим, как тепловая энергия передаётся по иголке, образуя на определённом участке свечение. При этом в месте, где температура выше, свечение ярче и, наоборот, где t ниже, оно темнее. Теплопроводность может наблюдаться также между двумя телами (кружкой горячего чая и рукой)

Интенсивность передачи теплового потока зависит от многих факторов, соотношение которых выявил французский математик Фурье. К этим факторам относится в первую очередь градиент температуры (соотношение разности температур на концах стержня к расстоянию от одного конца к другому), площадь сечения тела, а также коэффициент теплопроводности (у всех веществ он разный, но самый высокий наблюдается у металлов). Самый значительный коэффициент теплопроводности наблюдается у меди и алюминия. Неудивительно что именно эти два металла чаще используются в изготовлении электропроводов. Следуя закону Фурье, величину теплового потока можно увеличить или уменьшить, изменив один из этих параметров.

Конвекционные виды теплообмена

Конвекция, свойственная в основном для газов и жидкостей, имеет два компонента: межмолекулярную теплопроводность и движение (распространение) среды. Механизм действия конвекции происходит следующим образом: при повышении температуры текучей субстанции её молекулы начинают более активное движение и при отсутствии пространственных ограничений объём вещества увеличивается. Следствием данного процесса будет уменьшение плотности субстанции и её движение вверх. Яркий пример конвекции - это движение нагретого радиатором воздуха от батареи к потолку.

Различают свободные и вынужденные конвективные виды теплообмена. Теплопередача и движение массы при свободном типе происходит за счёт неоднородности субстанции, то есть горячая жидкость поднимается над холодной естественным образом без оказания влияния внешних сил (например, обогрев комнаты посредством центрального отопления). При вынужденной конвекции движение массы происходит под действием внешних сил, например, помешивание чая ложкой.

Лучистый теплообмен

Лучистая или радиационная теплопередача может происходить без контакта с другим объектом или субстанцией, поэтому возможна даже в Радиационный теплообмен присущ всем телам в большей или меньшей степени и проявляется в виде электромагнитных волн с непрерывным спектром. Яркий тому пример - солнечные лучи. Механизм действия выглядит следующим образом: тело непрерывно излучает определённое количество теплоты в окружающее его пространство. Когда эта энергия попадает на другой объект или субстанцию, часть её поглощается, вторая часть проходит насквозь, а третья отражается в окружающую среду. Любой объект может как излучать тепло, так и поглощать, при этом тёмные вещества способны поглощать больше тепла, чем светлые.

Комбинированные механизмы теплопередачи

В природе виды процессов теплообмена редко встречаются по отдельности. Гораздо чаще их можно наблюдать в совокупности. В термодинамике эти сочетания даже имеют названия, скажем, теплопроводность + конвекция - это конвективный теплообмен, а теплопроводность + тепловое излучение называют радиационно-кондуктивной теплопередачей. Кроме этого, выделяют такие комбинированные виды теплообмена, как:

• Теплоотдача - движение тепловой энергии между газом или жидкостью и твёрдым веществом.
• Теплопередача - передача t от одной материи к другой через механическое препятствие.
• Конвективно-лучистый теплообмен образуется при совмещении конвекции и теплового излучения.

Виды теплообмена в природе (примеры)

Теплообмен в природе играет огромную роль и не ограничивается нагреванием земного шара солнечными лучами. Обширные конвекционные потоки, такие как передвижение воздушных масс, во многом определяют погоду на всей нашей планете.

Теплопроводность ядра Земли приводит к появлению гейзеров и извержению вулканических пород. Это лишь малая часть в глобальных масштабах. В совокупности они образуют виды конвективного теплообмена и радиационно-кондуктивные типы теплопередачи необходимые для поддержания жизни на нашей планете.

Использование теплообмена в антропологической деятельности

Тепло - это важная составляющая почти всех производственных процессов. Сложно сказать, какой вид теплообмена человеком используется больше всего в народном хозяйстве. Наверное, все три одновременно. Благодаря процессам теплопередачи происходит выплавка металлов, производство огромного количества товаров, начиная с предметов повседневного использования и заканчивая космическими судами.

Крайне важное значение для цивилизации имеют тепловые агрегаты, способные преобразовывать тепловую энергию в полезную силу. Среди них можно назвать бензиновые, дизельные, компрессорные, турбинные установки. Для своей работы они используют различные виды теплообмена.

Теплопередача - это важный физический процесс. Он предполагает перенос теплоты и является сложным процессом, который состоит из совокупности простых превращений.

Существуют определенные виды теплопередачи: конвекция, теплопроводность, тепловое излучение.

Особенности процесса

Теория теплообмена является наукой об особенностях передачи теплоты. Теплопередача - это перенос энергии в газообразных, жидких, твердых средах.

Теория о теплоте появилась в середине XVIII века. Ее автором стал М. В. Ломоносов, который сформулировал механическую теорию теплоты, воспользовавшись законом сохранения и превращения энергии.

Варианты теплообмена

Теплопередача - это составная часть теплотехники. Разные тела могут обмениваться своей внутренней энергией в форме теплоты. Вариант теплообмена является самопроизвольным процессом передачи теплоты в свободном пространстве, который наблюдается при неравномерном распределении температур.

Разность в значениях температур является обязательным условием проведения теплообмена. Распространение тепла происходит от тел, имеющих более высокую температуру, к телам, обладающим меньшим ее показателем.

Результаты исследований

Теплопередача - это процесс переноса тепла и внутри твердого тела, но при условии, что есть разность температур.

Многочисленные исследования свидетельствуют о том, что теплопередача ограждающих конструкций является сложным процессом. Для того чтобы упростить изучение сути явлений, связанных с передачей тепла, выделяют элементарные операции: кондукцию, излучение, конвекцию.

Теплопроводность: общая информация

Чаще всего используется какой вид теплопередачи? Переносом вещества внутри тела можно изменить температуру, например, нагревая металлический стержень, увеличить скорость теплового движения атомов, молекул, повысить показатель внутренней энергии, увеличить теплопроводность материала. По мере соударения частиц происходит постепенная передача энергии, в результате чего весь стержень меняет свою температуру.

Если рассматривать газообразные и жидкие вещества, то передача энергии путем теплопроводности в них имеет незначительные показатели.

Конвекция

Такие способы теплопередачи связаны с переносом теплоты при движении в газах или жидкостях из области с одним температурным значением в область с другим ее показателем. Существует подразделение конвекции на два вида: вынужденную и свободную.

Во втором случае происходит перемещение жидкости под воздействием разности в плотностях ее отдельных частей из-за нагревания. К примеру, в помещении от горячей поверхности радиатора холодный воздух поднимается вверх, получая от батареи дополнительное тепло.

В тех случаях, когда для перемещения тепла необходимо применение насоса, вентилятора, мешалки, ведут речь о вынужденной конвекции. Прогревание по всему объему жидкости в этом случае происходит существенно быстрее, нежели при свободной конвекции.

Излучение

Какой вид теплопередачи характеризует изменение температурного показателя в газообразной среде? Речь идет о тепловом излучении.

Именно оно предполагает перенос тепла в виде электромагнитных волн, подразумевающий двойной переход тепловой энергии в излучение, затем обратно.

Особенности передачи тепла

Для того чтобы проводить расчет теплопередачи, необходимо иметь представление о том, что для теплопроводности и конвекции нужна материальная среда, а для излучения в этом нет необходимости. В процессе теплообмена между телами наблюдается уменьшение температуры у того тела, у которого этот показатель имел большую величину.

На такую же точно величину повышается температура холодного тела, что подтверждает полноценный процесс обмена энергией.

Интенсивность теплообмена зависит от разности в температурах между телами, которые обмениваются энергией. Если она практически отсутствует, процесс завершается, устанавливается тепловое равновесие.

Характеристика процесса теплопроводности

Коэффициент теплопередачи связан со степенью нагретости тела. Температурным полем называют сумму показателей температур для разных точек пространства в определенный момент времени. При изменении значения температуры в единицу времени поле является нестационарным, для неизменной величины - стационарным видом.

Изотермическая поверхность

Независимо от температурного поля, всегда можно выявить точки, имеющие одинаковое температурное значение. Геометрическое расположение их образует определенную изотермическую поверхность.

В одной точке пространства не допускается одновременного нахождения двух разных температур, поэтому изотермические поверхности не могут пересекаться между собой. Можно сделать вывод о том, что изменение в теле значения температуры проявляется лишь в тех направлениях, которые пересекают изотермические поверхности.

Максимальный скачок отмечается в направлении нормали к поверхности. Температурный градиент представляет собой отношение наибольшего показателя температур к промежутку между изотермами и является векторной величиной.

Он показывает интенсивность изменения температуры внутри тела, определяет коэффициент теплопередачи. То количество теплоты, которое будет переноситься через любую изотермическую поверхность, называют тепловым потоком.

Под его плотностью подразумевают отношение к единице площади самой изотермической поверхности. Эти величины являются векторами, противоположными по направлению.

Закон Фурье

Он является основным законом теплопроводности. Суть его заключается в пропорциональности плотности теплового потока градиенту температуры.

Коэффициент теплопроводности характеризует способность тел пропускать теплоту, он зависит от физических свойств вещества и его химического состава, влажности, температуры, пористости. Влага при заполнении пор стимулирует повышение теплопроводности. При высокой пористости внутри тела содержится повышенное количество воздуха, что сказывается на уменьшении показателя теплопроводности.

Определенный коэффициент сопротивления теплопередаче есть у всех материалов, найти его можно в справочниках.

Теплопроводность в твердой стенке

В качестве обязательного условия для данного процесса считается разность температур поверхностей стенки. В такой ситуации образуется поток теплоты, который направлен от стенки с большим значением температуры к поверхности стенки с небольшой температурой.

По закону Фурье тепловой поток будет пропорционален площади стенки, а также температурному напору, и обратно пропорционален толщине этой стенки.

Приведенное сопротивление теплопередаче зависит от теплопроводности материала, из которого изготовлены стенки. Если они включают в себя несколько разных слоев, их считают многослойными поверхностями.

В качестве примера подобных материалов можно назвать стены домов, где на кирпичный слой наносят внутреннюю штукатурку, а также внешнюю облицовку. В случае загрязнения наружной поверхности передающей тепловую энергию, к примеру, радиаторов либо двигателей, грязь можно рассмотреть как наложение нового слоя, имеющего незначительный коэффициент теплопроводности.

Именно из-за этого снижается теплообмен, возникает угроза перегревания работающего двигателя. Аналогичный эффект вызывает нагар и накипь. При увеличении количества слоев стенки растет ее максимальное термическое сопротивление, уменьшается величина теплового потока.

Для многослойных стенок распределение температуры является ломаной линией. Во многих теплообменных аппаратах осуществляется прохождение теплового потока через стенки круглых трубок. Если нагревающее тело движется внутри таких трубок, то в таком случае тепловой поток направлен к наружным стенкам от внутренних частей. При наружном варианте наблюдается обратный процесс.

Теплопередача: особенности процесса

Существует взаимодействие между тепловым излучением, конвекцией, теплопроводностью. Например, в процессе конвекции происходит тепловое излучение. Теплопроводность в пористых материалах невозможна без излучения и конвекции.

При проведении практических вычислений деление сложных процессов на отдельные явления не всегда целесообразно и возможно. В основном результат суммарного воздействия нескольких простейших явлений приписывают тому процессу, который считается основным в конкретном случае.

Второстепенные процессы при таком подходе учитывают только для количественных вычислений.

В современных теплообменных аппаратах происходит передача теплоты от одного вида жидкости к другой жидкости через стенку, которая их разделяет. Важным фактором, который влияет на коэффициент теплообмена, является форма стенки. Если она плоская, в таком случае можно выделить три этапа теплопередачи:

• к поверхности стенки от нагревающей жидкости;
• теплопроводностью через стенку;
• к нагреваемой жидкости к поверхности стенки.

Полное термическое сопротивление теплопередачи является величиной, которая обратна коэффициенту теплопередачи.

Заключение

Теплопроводность является процессом передачи внутренней энергии от нагретых участков тела к его холодным частям. Подобный процесс осуществляется с помощью беспорядочно движущихся атомов, молекул, электронов. Такой процесс может происходить в телах, которые имеют неоднородное распределение значений температур, но будет отличаться в зависимости от агрегатного состояния рассматриваемого вещества.

Можно рассматривать данную величину в качестве количественной характеристики способности тела к провождению тепла. Удельной теплопроводностью называют количество тепла, которое может проходить через материал, имеющий толщину 1м, площадь 1 м²/сек.

Долгое время считали, что существует взаимосвязь между передачей тепловой энергии и перетеканием от тела к телу теплорода. Но после проведения многочисленных экспериментов была выявлена зависимость подобных процессов от температуры.

В реальности при проведении математических расчетов, касающихся определения количества теплоты, передаваемой разными способами, учитывают проводимость путем конвекции, а также проникающее излучение. Коэффициент теплопередачи связан со скоростью передвижения жидкости, характером движения, его природой, а также с физическими параметрами движущейся среды.

В качестве носителей лучистой энергии выступают электромагнитные колебания, имеющие разную длину волн. Излучать их могут любые тела, температура которых превышает нулевое значение.

Излучение является результатом процессов, происходящих внутри тела. При попадании его на другие тела наблюдается частичное ее поглощение и частичное поглощение телом.

Закон Планка определяет зависимость плотности поверхностного потока излучения черного тела от абсолютной температуры и длины волны.

Простейшие виды теплообмена, которые были рассмотрены выше, не существуют по отдельности, они взаимосвязаны друг с другом. Сочетание их является сложным теплообменом, который предполагает серьезное изучение и детальное рассмотрение.

В теплотехнических расчетах используют суммарный коэффициент передачи тепла, который представляет собой совокупность коэффициентов теплоотдачи соприкосновением, которое учитывает теплопроводность, конвекцию, излучение.

При правильном подходе и учете отдельных тепловых явлений можно с высокой достоверностью рассчитать количество теплоты, переданное телу.