Терминология теплообмена

Согласно второму закону термодинамики перенос тепла идет необратимо в направлении от тел с более высокой температурой к телам с более низкой температурой:

Теплообмен–это самопроизвольный необратимый процесс переноса теплоты в пространстве с неоднородным полем температуры.

Исходным в теории теплообмена является понятие температурного поля.

Температурным полем называют совокупность значений температуры во всех точках рассматриваемого пространства в некоторый фиксированный момент времени.

Из определения температурного поля следует, что в общем случае оно имеет пространственн – временной характер, значения температур в котором задаются функцией:

, (6.1)

где x,y,z – пространственные координаты в декартовой системе;

– время.

Если в заданный момент времени в точках рассматриваемого пространства температура имеет неодинаковые значения, то такое поле температур называют неоднородным.

По числу координат, от которых зависит температура, различают трех-, двух- и одномерное температурные поля.

Если температурное поле имеет неизменные значения температур во времени, то оно называется стационарным.

В рассматриваемый момент времени в пространстве теплообмена имеются точки с одинаковой температурой. Геометрическое место этих точек образует поверхность, которую называют изотермической поверхностью. Пересечение изотермических поверхностей плоскостью дает на этой плоскости семейство изотермических линий –и з о т е р м. Так как в одной и той же точке не может быть двух различных температур, то изотермические поверхности и изотермы не пересекаются. На рис. 6.1 показаны изотермы, проведенные через точки, температуры которых отличаются на D Т. Вдоль изотермы температура остается постоянной, в любом другом направлении она изменяется. Наибольшее изменение температуры происходит в направлении нормали к изотермической поверхности. Интенсивность изменения температуры оценивается температурнымг р а д и е н т о м, который обозначается grad T и имеет единицу измерения К/м.

Рис. 6.1

Градиент температуры есть вектор, направленный по нормали к изотермической поверхности в сторону увеличения температуры и численно равный частотной производной от температуры по этому направлению:.

, (6.2)

где – единичный вектор, нормальный к изотермической поверхности и направленный в сторону возрастания температуры;

– частная производная температуры по нормали.

В пространстве с неоднородным температурным полем теплота распространяется от изотермических поверхностей с большей температурой к поверхностям с меньшей температурой.

Количество теплоты, проходящее в единицу времени через изотермическую поверхность, называют тепловым потоком.

Тепловой поток обозначают , за единицу принят Дж/с или ватт.

Тепловой поток, отнесенный к единице площади поверхности, именуют плотностью теплового потока.

Обозначают плотность теплового потока , с единицей Вт/м².

(6.3)

Исходя из физической сущности процесса теплообмена, различают три элементарных способа переноса теплоты: теплопроводность, конвекцию и тепловое излучение.

Теплообмен посредством теплового движения микроструктурных частиц вещества (молекул, атомов, электронов, ионов) в сплошной среде называют теплопроводностью.

Под конвекцией (от лат. conviction – перемещение, доставка) понимают теплообмен, осуществляемый макроскопическими элементами среды при их перемещении.

В отличие от теплопроводности и конвекции перенос энергии тепловым излучением имеет совершенно иную природу. Носителями лучистой энергии являются фотоны, обладающие одновременно волновыми и корпускулярными свойствами.

Перенос тепла лучистой энергией называют тепловым излучением.