Основные законы теплопередачи

Тепловыми называют процессы, скорость протекания которых определяется скоростью подвода или отвода теплоты.

В производстве искусственных строительных материалов тепло­вая обработка является необходимым переделом при изготовлении большинства видов изделий. Зачастую эта операция — конечная стадия технологической переработки, определяющая свойство материала и качество получаемых изделий. Как правило, тепловая обработка осложняется массообменными процессами.

Тепловая энергия передается от тел, имеющих более высокую температуру, телам с более низкой температурой. Совокупность значений температуры в данный момент для всех точек пространства называется температурным полем. Если температура зависит от времени, то температурное поле называется нестационарным, в противном случае поле стационарное.

Геометрическое место точек, имеющих одинаковую температуру, образует изотермическую поверхность.

Если рассмотреть две изотермы с температурой t° и t°+Δt°, то можно отметить, что наиболее резкое изменение темпе­ратуры наблюдается в направлении нормали к изотермическим поверхно­стям. Предел отношения разности тем­ператур к расстоянию между изотер­мами по нормали х называется тем­пературным градиентом

lim(Δt°/Δx) = dt⁰/dx = Δt°, (5.1)

где Δt° - градиент температуры.

Количество переносимой теплоты за единицу времени на­зывается тепловым потоком. Тепловой поток, отнесенный к единице поверхности, называется плотностью теплового потока. Направле­ние теплового потока противоположно направлению температурно­го градиента.

Различают три способа передачи теплоты: теплопроводность, конвекция и тепловое излучение.

Теплопроводность или кондукция,— процесс распространения теплоты путем непосредственного соприкоснове­ния между частицами тела. Теплопроводностью передается теплота в газах, жидкостях и твердых телах.

Основной закон распространения теплоты теплопроводностью (закон Фурье)

q = - λΔt⁰, (5.2)

где q — плотность теплового потока; λ— коэффициент теплопровод­ности.

Знак минус в правой части уравнения показывает, что на­правления теплового потока и температурного градиента противо­положны. Ко­эффициент теплопроводности является физическим параметром ве­щества и зависит от свойств тела: структуры, плотности, давления и температуры.

Конвекция — процесс распространения теплоты перемещением частиц. Плотность теплового потока, передаваемого конвекцией, описывается уравнением Ньютона — Рихмана

q = αΔt⁰. (5.3)

Коэффициент теплоотдачи а показывает, какое количество теп­лоты отдается единицей поверхности в окружающую среду в еди­ницу времени при разности температур между теплоотдающим и тепловоспринимающим телом в 1°. Коэффициент теплоотдачи не является величиной постоянной и для одного и того же вещества может изменяться в очень больших пределах. На коэффициент теп­лоотдачи влияют: физические свойства жидкости или газа (вяз­кость, плотность, теплопроводность, теплоемкость); скорость дви­жения жидкости или газа (с увеличением скорости движения а возрастает); характер движения жидкости или газа — ламинарное или турбулентное; форма омываемой поверхности; степень шерохо­ватости поверхности и т. д.

Лучистый теплообмен — процесс распространения теплоты в ви­де электромагнитных волн.

Количество теплоты, переданного лучистым теплообменом

Q = a_лΔt, (5.4)

где a_л – коэффициент теплообмена излучением.