Основные законы переноса теплоты

Сложный процесс переноса теплоты с целью упрощения его изучения разбивают на три простых, каждый из которых подчиняется своим законам.

Конвекция - молярный перенос теплоты (возможен только в движущейся среде), обусловленный перемещением объемов жидкости или газа в пространстве из области с одной температурой в область с другой, более низкой температурой.

Конвекцию различают свободную, или естественную, и вынужденную.

Передача теплоты конвекцией описывается законом Ньютона-Рихмана:

(39)

где a - коэффициент теплоотдачи конвекцией, Вт/м² град;

t_с - температура стенки, ⁰С;

t_ж - температура жидкости (газа), ⁰С.

Коэффициент теплоотдачи a зависит от большого числа факторов: природы возникновения движения (свободное или вынужденное), режима движения (ламинарный или турбулентный), физических параметров среды (l, n, c_p, r, ), температуры среды, скорости движения, размера и формы поверхности, разности температур поверхности и окружающей среды Dt и т.д.

Из формулы (39)

(40)

Таким образом, коэффициент теплоотдачи a характеризует интенсивность передачи теплоты конвекцией и представляет собой плотность теплового потока при разности температур в один градус, обменивающихся единицей поверхности и средой в единицу времени при разности температур между ними в один градус.

Тепловое излучение - процесс распространения теплоты с помощью электромагнитных волн, обусловленный только температурой и оптическими свойствами излучающего тела.

Плотность теплового потока, переданного от одного тела на поверхность другого излучением, определяется по закону Стефана-Больцмана.

(41)

где - коэффициент излучения абсолютно черного тела,

характеризует интенсивность передачи теплоты излучением;

= 5,67 Вт/(м²К⁴);

- приведенная степень черноты для системы из двух тел;

и - абсолютные температуры тел, К.

Теплопроводность - молекулярный перенос теплоты в телах (или между ними), обусловленный неоднородностью температурного поля в рассматриваемом пространстве.

Для стационарного теплового режима справедлива гипотеза Фурье

(42)

где l - коэффициент теплопроводности - характеризует интенсивность передачи теплоты теплопроводностью, Вт/(м∙град).

Способностью передавать теплоту теплопроводностью (но с разной интенсивностью) обладают все вещества: газы, жидкости, твердые тела.