2.3 Линейная плотность теплового потока (линейный удельный тепловой поток)

Для описания теплообмена в случаях с цилиндрической симметрией объектов (смотри рисунок 6) вводится понятие линейной плотности теплового потока (сокращенно: линейного теплового потока). Ее средняя величина равняется отношению потока тепла Q сквозь боковую поверхность цилиндрического участка к длине этого участка l:

q_l  Q/l, Вт/м . (24)

Рисунок 6 - Геометрия теплопередачи в случае цилиндрической симметрии Изображен фрагмент цилиндрического образца и его цилиндрическое коаксиальное сечение; стрелкой обозначен вектор удельного теплового потока q; l – длина цилиндрического участка; r – радиус сечения

Нетрудно найти связь между величиной линейной плотности потока q_l и удельным потоком q на расстоянии r от оси. Надо воспользоваться тем, что боковая поверхность участка цилиндрического сечения радиуса r имеет площадь F = 2rl = dl (где d = 2r - диаметр). Учитывая это, из определений (23), (24) получим, что

. (25)

В случае цилиндрической симметрии (смотри рисунок 6) стационарность потока тепла (Q = const), в соответствии с определением (24), приводит к неизменности линейной плотности потока сквозь цилиндрическую поверхности произвольного радиуса:

q_l = const,

что, в свою очередь, означает уменьшение удельного потока q (с ростом расстояния r от оси) по закону (25).

В соответствии со вторым законом термодинамики, самопроизвольный перенос теплоты в пространстве возникает под действием разности температур и всегда имеет направление в сторону уменьшения температуры. Это общее правило. Однако физическая реализация его имеет несколько вариантов. Все виды передачи тепла можно свести к комбинации трех физически разных механизмов: теплопроводности, конвективного теплообмена и передачи тепла излучением (лучистого теплообмена).

2.4 Физическая сущность теплопроводности.

Теплопроводность - это перенос теплоты между телами, которые непосредственно касаются друг друга (или частицами одного и того же тела), во время которого происходит обмен энергией движения микроскопических структурных частичек вещества (молекул, атомов, свободных электронов). Структурные частицы более нагретой части тела, сталкиваясь в процессе беспорядочного движения с соседними частицами, передают им часть своей энергии хаотичного движения. В результате более холодное из этих тел (частей тела) нагревается, а более горячее - охлаждается. При теплопроводности интенсивность переноса тепла определяется скоростью диффузии возбуждений в системе микрочастиц.

2.5 Физическая сущность конвективного теплообмена

Конвективный теплоперенос - перенос теплоты, сопровождающий конвекцию (движение макрочастиц) жидкости между областями с разными температурами. Жидкостью в случае конвекции называют текучую среду, т.е. непосредственно капельную жидкость, газ или сыпучую среду. При конвективном теплопереносе макрочастицы жидкости, нагреваясь в одной области, потом, вследствие движения жидкости (конвекции), переносят энергию в область с другой температурой, где осуществляется дальнейший энергообмен. Из-за того, что скорость макроскопического движения вещества, как правило, превышает скорость диффузии, конвективный механизм теплопереноса более интенсивен, чем простая теплопроводность.

В зависимости от сил, вызывающих движение жидкости, различают естественную (свободную) и вынужденную конвекцию.

Естественная (свободная) конвекция возникает в поле сил гравитационного тяготения в неравномерно нагретой среде. Она происходит в случае различия плотности горячих и холодных частей жидкости, что вызывает появление выталкивающей (подъемной) силы. (Как правило, холодные частицы двигаются вверх, горячие - вниз).

Вынужденная конвекция происходит под действием внешних сил, которые заставляют двигаться жидкость. (Например, насос нагнетает жидкость, компрессор, вентилятор - газы).

Конвекция всегда сопровождается теплопроводностью как между частицами жидкости или газа, так и между жидкостью или газом и поверхностями твердых тел. Совместный процесс переноса теплоты конвекцией и теплопроводностью называется конвективным теплообменом. Частным случаем конвективного теплообмена является теплоотдача - конвективный теплообмен между твердой стенкой и средой.