Физика. Примеры решения задач контрольной работы

Примеры решения задач по физике
Кинематика
Движение материальной точки
Основное уравнение динамики
Законы сохранения импульса и энергии
Динамика вращательного движения
Механические колебания
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МЕХАНИКИ
МОЛЕКУЛЯРНАЯ  ФИЗИКА
Механика
Молекулярная физика и термодинамика
Электричество
Электромагнетизм
Атомная и ядерная физика
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ТЕПЛОТЕХНИКИ
Термодинамические процессы
Описание теплопроводности
Теплоотдача в жидкостях и газах
Теплоотдача при фазовых переходах
Тепловое излучение
Теплообменные аппараты
  Кинематика поступательного движения
Электростатика

 

Основы теории тепломассообмена

 Исходные положения. Обмен внутренней энергией между телами (или частями одного тела), имеющими различную температуру, называется теплообменом.

Теплообмен – это самопроизвольный, необратимый процесс передачи тепла (точнее, передачи энергии в форме тепла) в пространстве, обусловленный наличием разности температур . Согласно второму закону термодинамики, теплота самопроизвольно переходит от области высокой температуры к области, имеющий более низкую температуру.

 Различают три способа теплообмена: теплопроводность (или кондукция), перенос тепла конвекцией (конвекция) и тепловое излучение (радиационный теплообмен). В реальных условиях эти способы в чистом виде встречаются редко, они обычно сопутствуют друг другу (сложный или комбинированный теплообмен).

 Теплопроводность – это молекулярный (микроскопический) перенос тепла в неоднородном температурном поле тела. В газах теплопроводность осуществляется путем диффузии молекул, а жидкостях и твердых телах – диэлектриках – путем упругих волн. В металлах теплопроводность обусловлена движением свободных электронов. В чистом виде теплопроводность проявляется в твердых телах или неподвижных слоях газа или жидкости.

 Конвекция возможна только в подвижной среде. Перенос тепла конвекцией – это макроскопическое перемещение объемов жидкости или газа в пространстве с различными температурами.

 Конвекция всегда сопровождается теплопроводностью на уровне «контакта» микрочастиц среды. Такой двойной механизм переноса тепла в подвижной сплошной среде за счет конвекции и теплопроводности называют конвективным теплообменом. Для практики наиболее важен частный случай конвективного теплообмена – теплоотдача: обмен теплом между потоком жидкости или газа и поверхностью твердого тела.

 Тепловое излучение – процесс распространения теплоты электромагнитными волнами. Процесс превращения внутренней энергии тела в энергию излучения, перенос излучения (как правило, через газообразную среду) и ее поглощение другим телом называется тепловым излучением (тепловой радиацией).

 Типичным для практики является теплообмен между двумя средами (теплоносителями) через разделяющую их твердую стенку, который называют теплопередачей.

 Многие процессы теплообмена сопровождаются переносом вещества (массы), например, процессы фазовых или химических превращений, процессы смешивания и другие. Совместно протекающие процессы переноса тепла и вещества в пространстве называют тепломассообменом.

 1 Теплопроводность

 Температурное поле и закон Фурье. Теплопроводность определяется тепловым (хаотическими) движением микрочастиц тела. В теории теплопроводности вещество рассматривается как сплошная среда, перенос теплоты в которой (при отсутствии конвекции и излучения) обусловлен наличием разности температур.

Совокупность значений температур всех макроскопических точек тела в данный момент времени t называется температурным полем.

 , (113)

где  - координаты любой точки тела.

 Если температура тела не изменяется с течением времени, то температурное поле стационарное, т.е.

  (114)

 Мысленно соединяя все точки тела с одинаковой температурой, получим поверхность, называемая изотермической. Изотермические поверхности не пересекаются и при пересечении их плоскостью дают на ней семейство изотерм (рис.14).

Рис. 14 – Семейство изотерм в плоском сечении тела

 Интенсивность изменения температуры в произвольном направлении s через элементарную площадку dF характеризуются производной (), принимающей наибольшее значение в направлении нормали к изотермической поверхности:

 . (115)

 Температурный градиент () направлен в сторону возрастания температуры по нормали п. Количество теплоты, прошедшее в единицу времени через элемент изотермической поверхности, называется плотностью теплового потока . С учетом направления потока тепла, согласно закону Фурье, Вт/м2

  (116)

Количество теплоты, проходящее в единицу времени через изотермическую поверхность F, называется тепловым потоком, Вт

 . (117)

 Множитель , называемый коэффициентом теплопроводности (), является теплофизическим свойством вещества. Теплопроводность газов () растет с повышением температуры и давления, а жидкости () – обычно уменьшается с ростом температуры. Наилучшими проводниками тепла являются металлы (); теплопроводность металлов убывает с ростом температуры и повышением количества легирующих элементов.

 Твердые материалы, у которых , относят к теплоизоляторам. Большинство теплоизоляционных и строительных материалов имеют пористое строение, что объясняет их низкую теплопроводность.

На главную