Теплопровідність. Закон Фур’є.

Теплопровідність в чистому вигляді спостерігається лише в твердих тілах, нерухомих газах і рідинах при неможливості виникнення в останніх конвекції. В основі задач теплопровідності лежить запропонована Фур’є гіпотеза про пропорційність густини теплового потоку і , тобто:

,

де - густина теплового потоку, Вт/м²; - градієнт температури, К/м; - коефіцієнт теплопровідності (пропорційності) даного тіла, Вт/(м·К).

- коефіцієнт теплопровідності будь-якого тіла (газу, рідини, твердого тіла, суміші) визначається для даного конкретного тіла лише в результаті його лабораторних досліджень. Ніяким аналітичним шляхом коефіцієнт теплопровідності для даного тіла отримати неможливо. Коефіцієнт теплопровідності для будь-якого тіла залежить від його температури та із зростанням температури тіла коефіцієнт теплопровідності зростає прямопропорційно. Для кожного тіла за конкретної температури коефіцієнт теплопровідності береться з таблиць. Коефіцієнт теплопровідності для газів—0,5 - 0,05 Вт/(К·м); води—0,5 – 0,7 Вт/(К·м); сталей—20 – 100 Вт/(К·м). В самому загальному випадку, процес теплопровідності через тіло у формі куба з одиничною довжиною грані і додатковим джерелом теплоти всередині куба, описується диференційним рівнянням теплопровідності, що має вигляд:

,

де зміна температури одиничного об’єму тіла з часом, К/с; коефіцієнт температуропровідності одиничного об’єму твердого тіла, м²/с, ,

де густина тіла, кг/м³; теплоємність тіла Дж/(кг·К); кількість теплоти, що виділяється в одиничному об’ємі тіла за рахунок внутрішніх джерел, Дж; оператор Лапласа:

Із загального рівняння теплопровідності, за наявності умов однозначності, виділяють конкретну простішу задачу теплопровідності, що описує дане фізичне явище теплопровідності. Існують різні умови однозначності:

1) геометричні, що описують розміри і форму тіла, в якому розглядають процес теплопровідності;

2) фізичні, що описують характерні фізичні властивості тіла;

3) часові—характеризують розподіл температур тіла на початку і в кінці розгляду процесу теплопровідності (початковий і кінцевий момент часу);

4) граничні—характеризують взаємодію тіла з оточуючим середовищем.

В свою чергу, граничні умови є трьох видів:

а) першого роду—задані законом розподілу температур по всій поверхні і за часом;

б) другого роду—задаються густиною теплового потоку для поверхні тіла за часом;

в) третього роду—задаються температурою омиваючого середовища ззовні тіла і законом тепловіддачі між зовнішньою поверхню тіла і омиваючим середовищем (законом Ньютона-Ріхмана).

Конвективний теплообмін. Основні поняття і визначення. Рівняння Ньютона-Ріхмана. Коефіцієнт тепловіддачі конвекцією α. Диференційне рівняння теплообміну. Основи теорії подібності. Визначуваний і визначаючий критерій. Метод моделювання. Фізичний зміст основних критеріїв подібності. Тепловіддача при русі середовища. Розрахункові рівняння коефіцієнта тепловіддачі основних задач.