- •А.В. Космынин, в.С. Виноградов теплотехника
- •Введение
- •1. Основные понятия технической термодинамики
- •1.1. Материя и энергия
- •1.2. Физическое состояние вещества
- •1.3. Масса, сила тяжести и вес
- •1.4. Количество вещества, молярная масса и молярный объем
- •2. Основные параметры состояния
- •2.1. Плотность и удельный объем
- •2.2. Давление. Единицы давления
- •2.3. Избыточное и вакуумметрическое давление
- •2.4. Температура
- •2.6. Задачи для самостоятельного решения
- •3. Законы идеальных газов
- •3.1. Идеальные газы
- •3.2. Законы Бойля-Мариотта, Гей-Люссака и Шарля
- •3.3. Уравнение состояния идеальных газов
- •3.4. Закон Авагадро
- •3.5. Уравнение Менделеева
- •4. Смеси жидкостей, газов и паров
- •4.1. Чистые вещества и смеси
- •4.2. Состав смесей жидкостей, паров и газов
- •4.3. Газовые смеси. Закон Дальтона
- •4.4. Объемные доли газовой смеси
- •4.5. Примеры решения задач Пример 4.1
- •Пример 4.2
- •Пример 4.3.
- •4.6. Задачи для самостоятельного решения
- •5. Теплоемкость
- •5.1. Общие понятия и определения
- •5.2. Теплоемкости изохорная и изобарная
- •5.3. Нахождение истинных и средних теплоёмкостей
- •5.4. Теплоёмкость смесей
- •5.5. Примеры решения задач Пример 5.1
- •Пример 5.2
- •Пример 5.3
- •Пример 5.4
- •Пример 5.5
- •5.6. Задачи для самостоятельного решения
- •6. Первое начало термодинамики
- •6.1. Уравнение первого закона термодинамики
- •6.2. Внутренняя энергия. Закон Джоуля
- •6.4. Теплота. Функция состояния и процесса
- •6.5. Работа изменения давления. Энтальпия
- •7. Второе начало термодинамики
- •7.1. Формулировки второго начала термодинамики
- •7.2. Понятие об энтропии и ts-диаграмме
- •8. Термодинамические процессы газов
- •8.1. Обратимые процессы и их свойства
- •8.2. Основные термодинамические процессы
- •8.3. Изохорный процесс
- •8.4. Изобарный процесс
- •8.5. Изотермический процесс
- •8.6. Адиабатный процесс
- •8.7. Политропный процесс
- •8.8. Примеры решения задач
- •8.9. Задачи для самостоятельного решения
- •9. Термодинамические циклы
- •9.1. Прямые и обратные циклы
- •9.2. Цикл Карно и его термодинамическое значение
- •9.3. Регенеративный цикл
- •9.4. Основные процессы в одноступенчатом компрессоре
- •9.5. Работа и мощность на привод компрессора
- •9.6. Многоступенчатый компрессор
- •9.7. Детандеры
- •9.8. Циклы поршневых двигателей
- •9.9. Идеальные циклы двигателей внутреннего сгорания
- •9.10. Циклы газотурбинных установок
- •9.11. Цикл Стирлинга
- •9.12. Цикл воздушной холодильной машины. Тепловой насос
- •9.13. Примеры решения задач
- •9.14. Задачи для самостоятельного решения
- •10. Теплопередача
- •10.1. Основные положение теории переноса теплоты
- •10.2. Теплопроводность
- •10.3. Конвективный теплообмен
- •10.4. Теплообмен излучением
- •10.5. Закон Стефана-Больцмана
- •10.6. Дифференциальное уравнение энергии трехмерной нестационарной теплопроводности твердых тел
- •10.7. Теплопроводность при стационарном режиме
- •Плоская стенка
- •Цилиндрическая стенка
- •10.8. Теплопередача через твердую стенку
- •10.9. Понятие о теплообменных аппаратах
- •Влияние загрязнения стенки на передачу теплоты
- •10.10. Примеры решения задач Пример 10.1
- •11. Основы химической термодинамики
- •12. Топливо и основы горения
- •12.1. Общие сведения
- •12.2. Элементарный состав топлива
- •12.3. Характеристики топлива
- •12.4. Закон Гесса
- •12.5. Количество топлива, необходимое для горения
- •12.6. Состав и объем продуктов сгорания
- •12.7. Теплосодержание дымовых газов
- •13. Энергетика и пути ее развития
- •14. Энергосбережение
- •15. Проблемы экологической защиты окружающей среды
- •Варианты исходных данных
- •Контрольное задание
- •Вопросы к экзамену
- •Приложения Приложение 1 Удельные газовые постоянные некоторых газов и водяного пара
- •Приложение 2 истинные удельные теплоемкости некоторых газов и водяного пара
- •Приложение 3 Теплопроводность материалов
- •Литература
- •Содержание
- •10. Теплопередача 57
10.2. Теплопроводность
Теплопроводность – молекулярный процесс передачи теплоты от одной части тела к другой или между отдельными соприкасающимися телами, если между ними существует температурный перепад. Механизм передачи теплоты теплопроводностью обусловлен движением микроструктурных элементов тела (электронов, атомов, молекул) и зависит от физических свойств среды.
Основным законом
передачи теплоты теплопроводностью
является гипотеза Фурье, согласно
которой элементарное количество теплоты
(dQ), проходящее через
элементарную площадь изотермической
поверхности (dF) за
элементарный промежуток времени (d
)
(рис. 10.2), пропорционально
температурному градиенту (
Т/
n):
,
где
– коэффициент пропорциональности,
Вт/(м·К), он характеризует способность
тела проводить теплоту и называется
коэффициентом теплопроводности.
Закон Фурье можно записать через плотность теплового потока (q), который представляет собой количество теплоты, проходящей в единицу времени через единицу площади изотермической поверхности:
.
Так как теплота
распространяется от более нагретых
частей тела к менее нагретым, то вектор
плотности теплового потока направлен
по нормали к изотермической поверхности
в сторону убывания температуры. Таким
образом, оказывается, что векторы grad
T и
лежат на одной нормали к изотерме, но
направлены в противоположные стороны.
Этим и объясняется знак «минус» в
приведенных уравнениях.
Коэффициент теплопроводности зависит от структуры материалов, плотности, давления и влажности среды. Для большинства веществ коэффициенты теплопроводности определены экспериментально. Наилучшими проводниками теплоты являются металлы, наихудшими – газы.
10.3. Конвективный теплообмен
Под конвекцией понимают процесс переноса вещества в среде за счет перемещения микрочастиц жидкости (газа). Конвекция возможна только в текучей среде. Перенос теплоты конвекцией всегда сопровождается теплопроводностью, причем главную роль в совместной передаче теплоты играет конвективный перенос.
Совместный процесс переноса теплоты конвекцией и теплопроводностью называется теплообменом. Различают свободную и вынужденную конвекцию. Конвекция создаваемая принудительным способом, например вентилятором, называется вынужденной. Если же движение элементов объема среды вызвано наличием в ней температурных разностей, а следовательно разных плотностей, то такая конвекция называется свободной или естественной. Процесс конвективного теплообмена может быть стационарным или нестационарным. В первом случае температурное поле жидкости не изменяется во времени, во втором – переменно во времени.
Процесс конвективного теплообмена между движущейся жидкой средой и поверхностью омываемого твердого тела называется теплоотдачей.
При изучении
процесса теплообмена между жидкостью
и стенкой установлено, что количество
теплоты, отдаваемое телом или получаемое
им от окружающей среды, прямо пропорционально
площади поверхности тела (F),
разности температур среды (жидкости)
(
)
и поверхности тела (
),
длительности процесса, а также зависит
от физических свойств среды, характера
ее движения, формы тела и его геометрических
размеров. Для элементарной площадки и
элементарного времени процесс описывается
уравнением:
,
называемым основным уравнением конвективного теплообмена или законом Ньютона-Рихмана.
Здесь
– коэффициент пропорциональности,
названный коэффициентом теплоотдачи,
Вт/(м2·К);
– температурный напор.
Для стационарного процесса теплообмена при неизменных температурах среды и площади поверхности тепловой поток:
,
а плотность теплового потока:
.
Из уравнения Ньютона-Рихмана имеем:
т.е. коэффициент
теплоотдачи равен количеству теплоты,
воспринимаемой (или отдаваемой) единицей
поверхности в единицу времени при
разности температур между поверхностью
и движущейся средой в 1 К. Коэффициент
теплоотдачи характеризует интенсивность
теплообмена между поверхностью тела и
омываемой средой и учитывает конкретные
условия протекания этого процесса
.
