Введение. В учении о теплообмене рассматриваются процессы распростра­нения теплоты в твердых, жидких и газообразных телах

В учении о теплообмене рассматриваются процессы распростра­нения теплоты в твердых, жидких и газообразных телах. Эти про­цессы по своей физико-механической природе весьма многообразны, отличаются большой сложностью и обычно развиваются в виде це­лого комплекса разнородных явлений.

Перенос теплоты может осуществляться тремя способами: теплопроводностью, конвекцией и излучением, или радиацией. Эти формы теплообмена глубоко различны по своей природе и харак­теризуются различными законами.

Процесс переноса тепла теплопроводностью происходит между непосредственно соприкасающимися телами или частицами тел с различной температурой. Учение о теплопроводности однородных и изотропных тел опирается на весьма прочный теоретический фун­дамент. Оно основано на простых количественных законах и распо­лагает хорошо разработанным математическим аппаратом.

Тепло­проводность, или кондукция, представляет собой, согласно взгля­дам современной физики, молекулярный процесс передачи теплоты. В металлах при такой передаче теплоты большую роль играют сво­бодные электроны.

Известно, что при нагревании тела кинетическая энергия его молекул возрастает. Частицы более нагретой части тела, сталкива­ясь при своем беспорядочном движении с соседними частицами тела, сообщают им часть своей кинетической энергии. Этот процесс по­степенно распространяется по всему телу. Например, если нагре­вать один конец металлического стержня, то через некоторое время температура другого его конца также повысится. Перенос теплоты теплопроводностью зависит от физических свойств тела, от его гео­метрических размеров, а также от разности температур между раз­личными частями тела. При определении переноса теплоты тепло­проводностью в реальных телах встречаются известные трудности, которые на практике до сих пор удовлетворительно не решены. Эти трудности состоят в том, что тепловые процессы развиваются в неоднородной среде, свойства которой зависят от температуры и изме­няются по объему; кроме того, трудности возрастают с увеличением сложности конфигурации системы.

Второй вид переноса теплоты называют конвекцией. Конвекция происходит только в газах и жидкостях и осуществляется при перемещении и перемешивании всей массы не­равномерно нагретых жидкости или газа. Конвекционный перенос теплоты происходит тем интенсивнее, чем больше скорости движе­ния жидкости или газа, так как в этом случае за единицу времени перемещается большее количество частиц тела. В жидкостях и га­зах перенос теплоты конвекцией всегда сопровождается теплопровод­ностью, так как при этом осуществляется и непосредственный кон­такт частиц с различной температурой.

Одновременный перенос теплоты конвекцией и теплопроводно­стью называют конвективным теплообменом; он может быть свобод­ным и вынужденным. Если движение рабочего тела вызвано искус­ственно (вентилятором, компрессором, мешалкой и др.), то такой конвективный теплообмен называют вынужденным. Если же движе­ние рабочего тела возникает под влиянием разности плотностей отдельных частей жидкости от нагревания, то такой теплообмен называют свободным, или естественным, конвективным тепло­обменом.

Третий вид теплообмена называют излучением, или радиацией. Процесс передачи теплоты излучением между двумя телами, разде­ленными полностью или частично пропускающей излучение средой, происходит в три стадии: превращение части внутренней энергии одного из тел в энергию электромагнитных волн, распространение электромагнитных волн в пространстве, поглощение энергии излу­чения другим телом. При сравнительно невысоких температурах перенос энергии осуществляется в основном инфракрасными лу­чами.

Передача теплоты излучением протекает независимо от процес­са теплопроводности и конвекции, однако последние в большинстве случаев сопутствуют радиации. Совокупность всех трех видов пере­носа теплоты называют сложным теплообменом. Однако изучение закономерностей сложного теплообмена представляет собой до­вольно трудную задачу. Поэтому изучают порознь каждый из трех видов теплообмена, после чего становится возможным вести расчеты, относящиеся к сложному теплообмену.