Види передачі теплоти. Теплопровідність твердих тіл, рідин і газів

Поняття теплообміну охоплює весь комплекс явищ переносу теплоти в просторі, обумовлених різницею температур окремих елементів розглянутого середовища. У загальному випадку перенос теплоти – складний процес, зв'язаний з різноманітними фізичними явищами, однак можна виділити три основних види (механізму) теплообміну: теплопровідність, конвективний теплообмін, теплообмін випромінюванням.

Теплопровідність – молекулярний перенос теплоти в тілах (чи між ними), обумовлений неоднорідністю температури в розглянутому просторі.

Теплопровідність не зв'язана з макрорухом тіл і здійснюється передачею енергії від одних макрочастинок тіла до інших при їхній взаємодії. Для газів, наприклад, такими частинками є молекули. Відомо, що молекули більш нагрітої частини будь-якого газу мають більшу середню кінетичну енергію в порівнянні з молекулами холодної його частини. При зіткненні молекул відбувається обмін кінетичною енергією, у результаті чого здійснюється передача теплоти від нагрітої частини газу до холодної.

Процес теплопровідності в металах аналогічний процесу електропровідності і зв'язаний з рухом вільних електронів. У найпростішому випадку можна вважати, що вільні електрони поводяться як молекули газу, тобто переміщуються між атомами і здійснюють передачу теплоти. Таким чином, у газах і металах процес передачі теплоти визначається дифузією молекул і вільних електронів відповідно.

У рідинах і твердих тілах – діелектриках передача теплової енергії здійснюється пружними хвилями, що виникають у результаті коливань кристалічних ґраток. Відзначимо, що в металах деяка частина енергії також передається пружніми хвилями, однак вона незначна в порівнянні з дифузійним переносом теплоти вільними електронами.

Конвекція – перенос теплоти при переміщенні об’ємів рідини (газу) у просторі. Конвекція можлива тільки в рухомому середовищі, при цьому переніс теплоти нерозривно зв'язаний з переносом самого середовища. У рідинах конвекція завжди супроводжується теплопровідністю.

Теплове випромінювання – процес поширення теплоти електромагнітними хвилями. При такому виді передачі теплоти відбувається перетворення внутрішньої енергії речовини в енергію випромінювання, переніс випромінювання і його поглинання речовиною.

Теплове випромінювання обумовлене тільки температурою та оптичними властивостями випромінюючого тіла. Воно підлягає основним законам поширення світла, тобто законам відбивання, заломлення і поглинання. У чистому вигляді (тобто без інших видів теплообміну) променистий теплообмін має місце лише в умовах глибокого вакууму, наприклад, при технологічних процесах обробки у вакуумі.

У процесах, з якими приходиться зіштовхуватися в природі і техніці, теплообмін випромінюванням супроводжується конвекцією і теплопровідністю. У цьому випадку теплообмін називають складним чи радіаційно-конвективним. Однак комплексне математичне вивчення складного теплообміну ускладнено, тому часто попередньо вивчають кожен вид теплообміну окремо, а потім переходять до розрахунку складного теплообміну. Крім того, при рішенні конкретних задач один з видів теплопередачі, як правило, є домінуючим, так що кількість теплоти, яка передається іншими видами теплообміну незначна і нею можна знехтувати. У зв'язку з цим виникає інтерес вивчення кожного з видів теплообміну окремо. Розглянемо детальніше процес переносу теплоти теплопровідністю.

Теплопровідність у чистому вигляді здебільшого має місце у твердих тілах. У рідинах і газах теплота передається конвекцією, тобто чиста теплопровідність можлива лише за умови, що вони абсолютно нерухомі і цілком виключена можливість виникнення в них конвективних потоків.

При теоретичному дослідженні теплообміну необхідно враховувати середовище, у якому відбувається теплообмін. Всі тіла, у яких розглядаються процеси теплопровідності, будемо вважати суцільним середовищем, тобто будемо нехтувати їх дискретною будовою. Такий феноменологічний підхід до дослідження процесів теплообміну взагалі і теплопровідності зокрема правомочний, якщо розміри об'єктів дослідження досить великі в порівнянні з відстанями ефективної міжмолекулярної взаємодії.

Надалі будемо розглядати лише однорідні суцільні середовища, для яких властивості в різних точках однакові при тих самих значеннях температури і тиску (у неоднорідних середовищах різні). Розрізняють ізотропні й анізотропні суцільні середовища. У першому середовищі фізичні властивості не залежать від обраного напрямку, у другому, навпаки, деякі властивості в даній точці можуть бути функцією напрямку. На практиці частіше всього зустрічаються ізотропні тіла.

Під терміном “суцільне середовище” ми розуміємо не тільки чисту речовину, але і суміші речовин (газові суміші, розчини і ін). У сумішах різних речовин переніс теплоти теплопровідністю пов'язаний з переносом маси і у загальному випадку визначається не тільки наявністю градієнта температур, але і неоднорідністю розподілу полів інших фізичних величин. Наприклад, неоднорідність поля концентрацій приводить до дифузії речовини і додатковому молекулярному переносу теплоти, названому дифузійною теплопровідністю (ефект Дюфо). Звичайно перенос теплоти, обумовлений подібними ефектами, невеликий і ним майже завжди можна знехтувати.

Таким чином, надалі, за винятком спеціально обговорених випадків, будуть розглядатися процеси теплопровідності в однорідних, ізотропних, однофазних суцільних середовищах.