ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ ТВЕРДЫХ ТЕЛ Математическое описание процесса теплопроводности из "Тепломассообмен Изд3" Самопроизвольный необратимый процесс переноса теплоты в пространстве с неоднородным полем температуры называется теплообменом. Пространство может быть заполнено многокомпонентной смесью веществ. Если концентрации компонентов в различных точках пространства разные, происходит необратимый процесс переноса массы компонентов из одной области в другую. Этот процесс называется массообменом. Совместно протекающий процесс переноса теплоты и массы вещества называется тепломассообменом. [c.13] Как любой реальный самопроизвольный процесс тепломассообмен является необратимым и продолжается до тех пор, пока в системе не установится термодинамическое равновесие. [c.13] Перенос теплоты при непосредственном контакте более нагретых элементов тела (или среды) с менее нагретыми, осуществляемый посредством хаотического движения и взаимодействия микрочастиц (молекул, атомов, электронов, ионов), называется теплопроводностью. Интенсивность процесса теплопроводности в различных телах разная. [c.13] Металлы обладают наибольшей способностью проводить теплоту. Их теплопроводность при не очень низких температурах в основном объясняется тепловым движением электронов. Чем меньше удельное электрическое сопротивление металла, тем выше его теплопроводность. [c.13] Газы — плохие проводники теплоты. Теплопроводность газов обусловлена хаотическим тепловым движением молекул. Она возрастает с увеличением температуры, так как при этом увеличивается скорость теплового движения. При не очень высоких давлениях теплопроводность газов от давления не зависит из-за того, что с увеличением давления, хотя и увеличивается число молекул в единице объема, но одновременно уменьшается длина свободного пробега. [c.13] Передача теплоты в твердых телах — диэлектриках происходит посредством колебаний кристаллической решетки, в узлах которой находятся атомы, а в жидкостях — за счет упругих колебаний молекул и их перескока из одной области в другую. [c.13] В движущихся жидкостях и газах происходит конвективный теплообмен. В этом случае распространение теплоты в пространстве осуществляется одновременно двумя способами за счет теплового движения микрочастиц и посредством перемещения макрочастиц (элементов жидкости или газа) из одной точки пространства в другую. Последний способ называется конвективным переносом теплоты. [c.13] Движение называют вынужденным, если оно происходит за счет действия внешних сил, приложенных на границах системы (например, за счет перепада давления, создаваемого насосом или вентилятором), и свободным, если оно обусловлено действием неоднородного поля массовых сил (сил тяжести, сил инерции), приложенных к частицам среды (жидкости или газа) внутри системы. Типичным случаем свободного движения является термогравитационная конвекция, когда более нагретые частицы среды архимедовой силой выталкиваются вверх, а менее нагретые опускаются вниз. В ряде случаев вторичные токи свободной конвекции оказывают существенное влияние на процесс переноса теплоты при вынужденном движении среды. Эти случаи называют теплообменом при смешанной конвекции. [c.14] На процесс конвективного теплообмена оказывает влияние скорость движения среды и ее распределение в пространстве. В движущейся неравномерно нагретой среде с неоднородным распределением скорости происходит как перенос теплоты, так и перенос количества движения (импульса). Интенсивность переноса теплоты зависит от интенсивности переноса импульса, поэтому первый процесс невозможно рассматривать в отрыве от второго. С этим связан тот факт, что некоторые положения гидродинамики или механики жидкости широко используются в теории тепломассообмена. [c.14] Конвективный теплообмен между движущейся средой и омываемой ею поверхностью твердого тела называется теплоотдачей. Изучение этого процесса имеет большое практическое значение, так как нагревание или охлаждение жидкостей или газов в технике и быту часто происходит либо при внешнем обтекании твердой поверхности теплообмена (например, поверхности трубы), либо при внутреннем обтекании (например, при движении жидкости внутри трубы). [c.14] В общем случае под процессом теплоотдачи понимается конвективный теплообмен между движущейся средой и поверхностью на границе ее раздела с другой средой причем под границей раздела понимается не только твердое тело, но и жидкость или газ, отличные от движущейся среды. Последний случай характерен для совместно протекающих процессов массо-и теплообмена. [c.14] Массообменом называется процесс переноса массы вещества в пространстве с неоднородным распределением концентрации этого веи1ества (в общем случае — неоднородным распределением химического потенциала вещества, являющегося функцией температуры, давления и концентрации). Явления массопереноса объясняются диффузией компонентов в смеси веществ. Механизмы диффузии и теплопроводности идентичны оба процесса обусловлены хаотическим тепловым движением молекул. Распространение массы вещества в движущейся смеси веществ, т.е. конвективный массообмен, происходит одновременно как за счет молекулярной диффузии, так и за счет конвективного переноса вещества. [c.14] Теплообмен излучением включает в себя совокупность процессов превращение внутренней энергии вещества в энергию излучения (энергию электромагнитных волн или фотонов) перенос излучения поглощение излучения веществом. Перенос теплоты одновременно излучением и теплопроводностью называется радиационно-кондуктивным теплообменом, а перенос теплоты излучением, теплопроводностью и конвекцией — радиационно-конвективным теплообменом. [c.15] Для теоретического изучения процессов тепломассопереноса на основе общих законов физики составляется их математическое описание. При этом среду, в которой протекают эти процессы, считают сплошной. Это значит, что в физически бесконечно малом элементе Л Г (элементарном объеме) содержится очень большое число микрочастиц. Под ДК понимается такой объем, размеры которого пренебрежимо малы по сравнению с характерным геометрическим размером, приведенным в изучаемой задаче (например, с диаметром трубы). Тогда можно говорить о локальном (т.е. в пределах элемента АУ) термодинамическом равновесии в любой момент времени в любой точке материальной среды и рассматривать параметры состояния среды (температуру, давление, плотность, концентрацию компонентов смеси и др.) как непрерывные функции координат точки и времени. Понятие сплошной среды позволяет распространить уравнения термодинамики и законы теплового излучения на термодинамически неравновесные процессы переноса теплоты, импульса и массы вещества. [c.15] Понятие локального термодинамического равновесия применимо к большинству реальных процессов тепломассообмена. Исключение составляют сильно разреженные газы и такие особые случаи, как ударные волны, переход газа через скачок уплотнения и др. В этих особых случаях характерное время изменения состояния системы весьма мало. При этом совокупность большого числа микрочастиц в элементе АК за это время не успевает придти в состояние термодинамического (статистического) равновесия. [c.15] Состояние сплошной среды можно считать полностью определенным, если в каждой точке пространства в любой момент времени известны значения следующих величин температуры, концентраций компонентов смеси, давления и скорости. Другими словами, из математического описания процессов тепломассообмена должны быть найдены поля указанных величин. Знание этих полей позволяет (в этом мы убедимся в дальнейшем) найти количества теплоты и вещества, переносимые через поверхность системы, гидравлическое сопротивление и другие величины, представляющие практический интерес. [c.15] Заложив в основу теории тепломассообмена модель сплошной среды, мы тем самым пользуемся термодинамическим методом изучения явлений переноса, т.е. отвлекаемся от внутреннего физического механизма этих явлений и никак не учитываем свойства конкретной среды. Как показывает опыт, интенсивность процессов переноса в различных средах разная. Поэтому наряду с общими законами физики (законом сохранения и превращения энергии, законом сохранения массы, законом сохранения импульса) при составлении математического описания процессов тепломассообмена должны привлекаться эмпирические законы (законы Фурье, Фика, Ньютона), в которых свойства среды учитываются соответствующими коэффициентами переноса. Эти коэффициенты переноса, а также коэффициенты, характеризующие излучение реальной среды, получают либо экспериментально, либо с помощью молекулярно-кинетической или электромагнитной теории, либо методами статистической и квантовой физики. [c.16] Процессы тепломассообмена широко распространены на практике. Знание их закономерностей имеет первостепенное значение для тепловой и ядерной энергетики, промышленной теплоэнергетики, энергомашиностроения, авиации, космонавтики, ракетостроения и др. [c.16] Наука о тепломассообмене имеет давнюю историю. Ее начало восходит ко временам М.В. Ломоносова. Основы теории тепломассообмена были заложены в XIX в. трудами ученых многих стран мира. В связи с практическими потребностями ее интенсивное развитие началось в начале XX в. и продолжается в настоящее время. [c.16] Сложность явлений тепломассопереноса приводит к тому, что многие практически важные задачи не могут быть решены аналитическими методами. Тогда прибегают к численным методам с их реализацией на мощных быстродействующих компьютерах. [c.16] Вернуться к основной статье