10. Теплопередача

10.1. Основные положение теории переноса теплоты

Теплообменом называется процесс переноса теплоты в пространстве и передачи ее от одних тел к другим.

Различают три способа переноса теплоты в пространстве: теплопроводность, конвекцию и излучение и два способа теплообмена между телами – конвективный и лучистый. Перенос теплоты теплопроводностью происходит, главным образом, в твердых телах, так как теплопроводность, жидкостей очень невелика. Можно наблюдать, как при нагревании металлического стержня с одного конца теплота постепенно распространяется по всему стержню. Объясняется это тем, что в нагреваемом конце стержня тепловое движение молекул, атомов и свободных электронов постепенно ускоряется, а это значит, что внутренняя кинетическая энергия их увеличивается. При соударениях часть их энергии передается дальше по стержню, что и приводит к распространению теплоты по всему стержню.

Р аспространение теплоты конвекцией может происходить только в жидкостях (капельных и газообразных).

Иллюстрацией способа распространения теплоты конвекцией служит нагревание воды в колбе (рис. 10.1). Правая часть колбы А нагревается сильнее левой, чем вызывается циркуляция воды в направлении против хода часовой стрелки, приводящая к прогреванию всей массы воды. Если воду нагревать сверху, то циркуляция не возникнет. Вся масса воды будет прогреваться только за счет ее теплопроводности, а так как теплопроводность воды очень мала (меньше теплопроводности стали примерно в 100 раз), то и прогревание будет происходить очень медленно.

Это пример свободной конвекции, когда перемещение жидкости (капельной или газообразной) происходит под действием разности плотностей отдельных частей жидкости при нагревании. Если перемещение вызывается искусственно вентилятором, насосом, мешалкой, то такая конвекция называется вынужденной. При этом распространение теплоты, т.е. прогревание всей массы жидкости, происходит значительно быстрее, чем при свободной конвекции.

Перенос теплоты излучением (радиацией) основан на превращении части внутренней энергии излучающего тела в энергию излучения электромагнитных волн, которые распространяются в свободном пространстве (вакууме) со скоростью 300000 км/с.

Для переноса теплоты теплопроводностью и конвекцией необходима материальная среда, для передачи теплоты излучением такая среда не нужна. При теплообмене между двумя телами внутренняя энергия тела с более высокой температурой уменьшается, а тела с менее высокой температурой на столько же увеличивается.

Процесс теплообмена протекает тем интенсивнее, чем больше разность температур тел, обменивающихся энергией. При ее отсутствии процесс теплообмена прекращается и наступает тепловое равновесие.

Конвективный перенос теплоты сопровождается, как мы уже сказали, перемещением жидкости из одной части занимаемого ею пространства в другую. При этом неизбежны непосредственные соприкосновения, контакты между молекулами, во время которых теплота передается теплопроводностью.

Одновременный перенос теплоты конвекцией и теплопроводностью называется конвективным теплообменом.

Теплообмен излучением между двумя телами возникает в тех случаях, когда излучаемые в пространство электромагнитные волны встречают на своем пути какое-либо тело, которое воспринимает их. При этом энергия излучения переходит во внутреннюю энергию тела, воспринявшего эти волны.

На практике распространение теплоты совершается не каким-нибудь одним из рассмотренных способов, а одновременно двумя, а еще чаще – всеми тремя: теплопроводностью, конвекцией и излучением. Такой процесс называется сложным теплообменом.

Рассмотрим каждый из этих трех способов.