Теплопередача и теплопроводность это одно и тоже: Теплопроводность и теплопередача это одно и тоже

Теплопроводность и теплопередача это одно и тоже

Новые статьи

  1. «Виды теплопередачи: теплопроводность, конвекция, излучение»

Содержание

  1. «Виды теплопередачи: теплопроводность, конвекция, излучение»
  2. Теплопроводность
  3. Конвекция
  4. Излучение
  5. Теплопроводность алмаза

«Виды теплопередачи:


теплопроводность, конвекция, излучение»

Теплопередача – это способ изменения внутренней энергии тела при передаче энергии от одной части тела к другой или от одного тела к другому без совершения работы. Существуют следующие виды теплопередачи: теплопроводность, конвекция и излучение.

Теплопроводность

Теплопроводность – это процесс передачи энергии от одного тел а к другому или от одной части тела к дpугой благодаря тепловому движению частиц. Важно, что при теплопроводности не происходит перемещения вещества, от одного тела к другом у или от одной части телa к другой передается энергия.

Разные вещества обладают разной теплопроводностью. Если на дно пробирки, наполненной водой, положить кусочек льда и верхний её конец поместить над пламенем спиртовки, то через некоторое время вода в верхней части пробирки закипит, а лёд при этом не растает. Следовательно, вода, так же как и все жидкости, обладает плохой теплопроводностью.

Ещё более плохой теплопроводность ю обладают газы. Возьмём пробирку, в которой нет ничего, кроме воздуха, и расположим её над пламенем спиртовки. Палец, помещённый в пробирку, не почувствует тепла. Следовательно, воздух и другие газы обладает плохой теплопроводностью.

Хорошими проводниками теплоты являются металлы, самыми плохими — сильно разреженные газы. Это объясняется особенностями их строения. Молекулы газов находятся друг от друга на расстояниях, больших, чем молекулы твёрдых тел, и значительно реже сталкиваются. Поэтому и передача энергии от одних молекул к другим в газах происходит не столь интенсивно, как в твёрдых телах. Теплопроводность жидкости занимает промежуточное положение между теплопроводностью газов и твёрдых тел.

Конвекция

Как известно, газы и жидкости плохо проводят теплоту. В то же время от батарей парового отопления нагревается воздух. Это происходит благодаря такому виду теплопроводности, как конвекция.

Если вертушку, сделанную из бумаги, поместить над источником тепла, то вертушка начнёт вращаться. Это происходит потому, что нагретые менее плотные слои воздуха под действием выталкивающей силы поднимаются вверх, а более холодные движутся вниз и занимают их место, что и приводит к вращению вертушки.

Конвекция — вид теплопередачи, при котором энергия передаётся слоями жидкости или газа. Конвекция связана с переносом вещества, поэтому она может осуществляться только в жидкостях и газах; в твёрдых телах конвекция не происходит.

Излучение

Третий вид теплопередачи — излучение. Если поднести руку к спирали электроплитки, включённой в сеть, к горящей электрической лампочке, к нагретому утюгу, к батарее отопления и т. п., то можно явно ощутить тепло.

Опыты также показывают, что чёрные тела хорошо поглощают и излучают энергию, а белые или блестящие плохо испускают и плохо поглощают её. Они хорошо энергию отражают. Поэтому понятно, почему летом носят светлую одежду, почему дома на юге предпочитают красить в белый цвет.

Путём излучения энергия передаётся от Солнца к Земле. Поскольку пространство между Солнцем и Землёй представляет собой вакуум (высота атмосферы Земли много меньше расстояния от неё до Солнца), то энергия не может передаваться ни путём конвекции, ни путём теплопроводности. Таким образом, для передачи энергии путём излучения не требуется наличия какой-либо среды, эта теплопередача может осуществляться и в вакууме.

Конспект урока «Виды теплопередачи: теплопроводность, конвекция, излучение».

Следующая тема: «Количество теплоты. Удельная теплоёмкость».

Виды теплопередачи: теплопроводность, конвекция, излучение

Попробуем и для гуманитариев объяснить.

Теплоемкость проще в калориях объяснять, поскольку именно вода была принята за единицу отсчета теплоемкости веществ в системе СГС.
Чтобы нагреть 1 грамм воды на один градус нужна энергия (работа) равная 1 калории. А для нагрева1 грамма подсолнечного масла требуется всего 0,42 калории. При остывании 1 грамма воды на 1 градус выделится та же калория энергии (пойдет на нагрев окружающей среды) . А масло отдаст 0,42 калории. Т. е. емкость по теплу (теплоемкость) у воды почти в два раза больше теплоемкости масла.

Теплообмен общее понятие самопроизвольного необратимого переноса теплоты (точнее, энергии в форме теплоты) между телами или участками внутри тела
Различают три разных механизма распространения теплоты:
— теплообмен за счет теплопроводности ( (металлическая ручка горячей сковородки, которая нагрелась благодаря высокой теплопроводности металла. Деревянная ручка так не нагреется) ,
— конвективный теплообмен ( тепловентилятор вас греет или в парилке потеете) ,
— лучистый теплообмен (на солнышке жаритесь или у костра сидите, а лицо пылает, хотя до огня и солнца далеко) .

Теплопроводность-перенос энергии от более нагретых участков тела к менее нагретым. Характеризуется коэффициентом теплопроводности. Для гуманитариев (да и для технарей думаю полезно будет) так объясняю:
представтье куб вещества с размером стороны 1 метр. Если на противоположных гранях куба создать разность температур, то такой куб будет проводить тепло. Так вот, если разница температур на противоположных гранях куба будет 1 градус, то мощность теплового потока от грани к грани для медного куба будет 390 ватт. Т. е. каждую секунду такой куб будет передавать от грани к грани 390 джоулей энергии. Т. е. коэффициент теплопроводности меди 390 ватт на расстояние 1 метр через квадратный метр площади при перепаде температур 1 градус, или по научному — 390Вт/м*K. (сразу понятно почему в знаменателе получился линейный метр) . Если из алмаза гипотетически куб представить, то за киловатт от грани к грани передаваемая мощность будет (поскольку алмаз лучше всех тепло проводит) . Если из дерева, то всего 0,3 ватта мощность теплового потока будет. Потому деревянные дома такие теплые — не проводят ( в смысле очень плохо проводят) они тепло.

Теплоотдача — это теплообмен на границе раздела двух фаз. Например, поверхность горячей батареи отдает тепло воздуху в комнате. Или горячая вода внутренность батареи греет. Или теплоотдача поверхности горячей воды в кастрюле кухонному воздуху.

Теплопередача это теплообмен между двумя теплоносителями через разделяющую их тврдую стенку. Т. е. включает в себя теплоотдачу от более горячей жидкости к стенке, теплопроводность в стенке, теплоотдачу от стенки к более холодной подвижной среде. На примере батареи характеризуется совокупностью: коэффициента теплоотдачи от жидкости к стенке батареи, потерей тепла при его прохождении через металл батареи (зависит от толщины стенки и ее теплопроводности) и коэффициента теплоотдачи от горячей стенки батареи к воздуху.

Физика, как наука утверждает, что в природе существуют три вида теплопередачи: теплопроводность, конвекция и лучистый теплообмен. Практически во всех источниках просматривается данная иерархия – на первом месте теплопроводность, на втором – конвекция и на третьем – лучистый теплообмен.

Почему сложилась такая последовательность, очевидно, из истории открытия данных явлений. Если теплопроводность и конвекция были известны древним людям, то электромагнитные волны были предсказаны Максвеллом, а затем открыты Герцем только в конце 19 века (1888 году).

«Теплопередача — это процесс переноса теплоты внутри тела или от одного тела к другому, обусловленный разностью температур».

Теплопередачу в газах и жидкостях еще можно представить как взаимное проникновение молекул и атомов – горячих в более холодную, а холодных в горячую среду. Но как происходит теплопередача в твердых телах?

Я уже частично коснулся проблемы теплопередачи в предыдущей статье «Получение теплоты», когда речь шла о крафоне. Краснофотонное излучение и переизлучение – это и есть, теплопередача в твердых телах. Особенно хорошо это свойство выражено в металлах. Хорошую теплопроводность в металлах физики связывают с присутствием свободных электронов. Но есть один диэлектрик по имени «алмаз», у которого нет свободных, нет слабо связанных электронов, но его теплопроводность зашкаливает.

Теплопроводность алмаза

Какой минерал на Земле, описывая который мы как попугаи повторяем «самый», «самый». Нет, не золото и не платина – это алмаз. Самый твердый, самый дорогой, самый износостойкий, самый блестящий, самый редкий и т.д.

Есть еще одно свойство, связанное с алмазом и словом самый – его теплопроводность. Теплопроводность алмаза при комнатной температуре в 3 — 6 раз выше теплопроводности серебра и меди, самых теплопроводных металлов на Земле. Сколько бы вы не грели алмаз в сжатой ладони, он останется холодным. Если сделать из алмаза чайную ложечку, то вы каждый раз, опуская ее в горячий чай, будете обжигать пальцы.

Как и чем можно объяснить самую высокую

теплопроводность алмаза? Чтобы разобраться с этим не простым вопросом, обратимся к теплопроводности металлов.

Металлы, как известно, являются проводниками, причем, чем лучше металл проводит электрический ток, тем он лучше и проводит тепло. Наука связывает данный эффект со свободными электронами, которые под действием разности потенциалов, выстраиваются в цепь и создают прохождение электрического тока.

Возьмем медный стержень длиной несколько сантиметров и будем нагревать один конец. Через некоторое, весьма короткое, время второй конец также будет нагреваться. Физики говорят – стержень обладает теплопроводностью, а свободные, не связанные или слабо связанные электроны, быстро перемещаются и переносят теплоту вдоль стержня.

Медь прекрасный проводник электрического тока. Тогда что происходит с алмазом – он диэлектрик и у него нет свободных электронов-зарядов, а теплопроводность в 5 раз выше, чем у меди.

На мой взгляд, высокая теплопроводность алмаза связана с тремя факторами:

  1. строением кристаллической решетки;
  2. малыми расстояниями между атомами;
  3. плотным электромагнитным эфиром.

В кристаллической решётке алмаза каждый атом углерода жестко связан ковалентными связями с четырьмя другими атомами, размещёнными на одинаковом расстоянии. Эти связи по всем направлениям одинаково прочные. Лишним доказательством того, что у алмаза нет свободных электронов говорит о его очень малом коэффициенте теплового расширения (0,0000008), немного уступая кварцевому стеклу. Поскольку у алмаза не может быть конвекции, и нет свободных электронов, то очевидно, основным видом теплопередачи в алмазе является лучистый теплообмен. Структура кристаллической решетки усиливает этот процесс. Даже незначительная разность тепловых потенциалов с помощью излучения быстро выравнивает их.

Снова вернемся к металлам и еще раз разберемся со словами теплопроводность, конвекция и лучистый теплообмен. Начнем с теплопроводности, что скрывается под этим словом?

Под данным словом кроется некий диффузионный перенос теплоты от одного атома к другому. Т.е. свободные электроны, нагретые на одном конце стержня, через некоторое время должны появиться на другом конце стержня и нагреть его. Но так ли это. Рассудим логически, какой колонии электронов нужно перебежать хотя бы на несколько миллиметров, не говоря уже от одного конца стержня к другому, чтобы выровнять температуру, если каждый из них может перенести 1 квант энергии. Получается, что практически все «горячие» электроны должны перебежать на данное расстояние или на противоположную сторону стержня, чтобы нагреть его до той же температуры. Но, в таком случае, они должны возвратиться обратно, иначе нарушится кристаллическая решетка горячего конца, и металл развалится. А как они вернутся обратно, если температурный градиент направлен в одну сторону?

У физиков есть еще одна версия по переносу тепла. Свободные электроны контактируют, иначе соударяются с другими себе подобными и таким образом, по цепочке переносят тепло с нагретого конца к холодному. Но как заставить контактировать эти электроны, они же свободные и летят куда хотят. Не путать с электрическим током, там электроны подчиняются внешнему электрическому полю, т.к. сами находятся под зарядом и по команде этого поля они выстраиваются в проводящую цепочку. А тепловое, нейтральное поле для свободных электронов не указ, да к тому же пространства вокруг, гораздо больше, чем для мячей футбольное поле. Представьте картину, каждому игроку противоборствующих команд дали по мячу и поставили задачу: попасть в такой же мяч противника. Удары выполняются по очереди с разных сторон поля.

И сколько же ударов нужно нанести игрокам, чтобы попасть в заветную мишень. Даже у классных игроков процент попадания будет низкий, не говоря уже о дилетантах, свободных хаотичных игроках. Перенос тепла в этом случае будет ничтожным.

В любых телах и веществах существует только один перенос энергии от одного атома к другому – это электромагнитный или лучеиспускание, что и косвенно подтверждает нам замечательный минерал – алмаз.

Поэтому, теплопроводность есть не что иное, как тот самый лучистый теплообмен. Отсюда следует, что в природе существуют не три вида теплопередачи, а два: лучистый теплообмен и конвекция. По большому счету, конвективные потоки тоже связаны с лучистым теплообменом, но поскольку они идут только в разреженных субстанциях – жидкостях и газах, то конвекцию пока оставим в покое.

В большинстве случаев, в земных условиях, разности температур нет, но теплообмен, как мы знаем, не прекращается между ними ни на долю секунды.

Вот здесь я ловлю себя на слове. Если разности температур не было, то не было бы и теплопередачи. В любом веществе всегда существует разность температур и давлений, только эту разницу мы ничем измерить не можем. Еще не изобрело человечество таких чувствительных приборов, которыми можно было измерить разность температур между молекулами.

Поэтому, определение теплопередачи в общем виде должно быть записано следующим образом: теплопередача — это процесс переноса теплоты внутри тела или от одного тела к другому, обусловленный разностью температур, с помощью электромагнитного излучения.

В широком, всеобъемлющем, смысле формулировка теплопередачи сводится к весьма короткому словосочетанию:

Теплопередача – это выравнивание теплового потенциала.

Вывод из вышесказанного: стены наших зданий нужно делать из воздуха, а батареи отопления в домах следует изготавливать из алмаза!

При выборе качественного теплоизоляционного материала потребитель должен принимать во внимание целый ряд параметров, среди которых неизменно присутствует показатель теплопроводности. Высокой или низкой должна быть теплопроводность, что такое «лямбда», на какие показатели теплопроводности ориентироваться – ответы на эти и другие самые распространенные вопросы, возникающие при покупке утеплителя, вы найдете в данной статье.

Слово «теплопроводность» или еще более запутанное «лямбда» знакомо каждому школьнику из курса физики за восьмой класс. Однако со временем информация, которой мы не пользуемся, забывается. Попробуем освежить в памяти эти несложные и очень полезные знания.

Теплопроводность, как уже было сказано выше — одно из ключевых понятий в современном строительстве, особенно когда речь заходит о теплоизоляционных материалах. От теплопроводности зависит толщина вашей стены или кровли, вес всего дома, а следовательно, и прочность (несущая способность) фундамента, долговечность конструкций и многое другое.

Современное определение теплопроводности – понятие комплексное. И состоит из нескольких составных частей, отвечающих за перенос тепла (теплообмен).

На первый взгляд формула кажется пугающей, но на самом деле все просто.

Суммарная или итоговая теплопроводность состоит из теплопроводности за счет конвекции, теплопроводности твердой и газообразной фазы, а также теплопроводности, учитывающей теплообмен за счет излучения.

Запутались еще сильнее? Тогда по порядку.

Разберем каждый элемент этой формулы более подробно.

Теплообмен (или теплопередача) – это способ изменения внутренней энергии без совершения работы над телом или самим телом.

Теплопередача всегда происходит в определенном направлении: от тел с более высокой температурой к телам с более низкой.

Из курса физики нам известно, что теплообмен включает в себя три вида передачи тепла: теплопроводность, конвекцию и излучение.

Теплопроводность — явление передачи внутренней энергии от одной части тела к другой или от одного тела к другому при их
непосредственном контакте.

Если вы опустите ложку в стакан с горячим напитком, нагреется не только та часть ложки, которая погружена в жидкость, но и та ее часть, которая находится над водой.

Теплопроводность различных веществ неодинакова, она может быть плохой (низкой) и хорошей (высокой). Хорошая теплопроводность у металлов. Плохая — у шерсти, дерева и пластиков.

Самым плохим проводником тепла является вакуум.

Для примера вспомните кухонную посуду: кастрюли и сковородки. Вы вряд ли станете снимать металлическую кастрюлю, полную вкусного супа, с горячей плиты голыми руками, потому что существует реальная опасность обжечь руки. Вместо этого вы используете кухонное полотенце, силиконовые или тряпичные прихватки, то есть те материалы, которые плохо проводят тепло.

Именно поэтому «правильные» кастрюли и сковородки снабжены пластмассовыми или деревянными ручками, плохо проводящими тепло. Вспомнить хотя бы старую бабушкину сковородку с деревянной ручкой: сковородка горячая, а за ручку схватиться можно безо всяких прихваток.

Как объясняется это явление? Рассмотрим на примере нагревания металлического стержня (или ложки из примера со стаканом).

В металле, как и во всех твердых телах, молекулы совершают колебательные движения около некоторых положений равновесия. Скорость колебательного движения молекул металла при нагревании увеличивается в той части, которая ближе расположена к пламени или источнику тепла. Эти молекулы, взаимодействуя с соседними молекулами, передают им часть своей энергии. В результате чего повышается температура отрезка стержня. Затем увеличивается скорость колебательного движения молекул в следующих отрезках стержня и так далее, до тех пор, пока не прогреется весь стержень. Именно поэтому вакуум обладает самой плохой теплопроводностью: в нем практически отсутствуют молекулы, которые бы передавали энергию друг другу. Важно отметить, что сами молекулы, передавая кинетическую энергию, не меняют свое местоположение, то есть само вещество не перемещается.

С первым понятием разобрались, посмотрим, что же дальше.

Следующая составляющая теплопроводности – это конвекция. У многих из вас на слуху такой прибор, как «конвектор». А вот почему он так называется, наверное, знает далеко не каждый. Хотя логично предположить, что название свое он получил за принцип работы – конвекцию.

Из курса физики следует, что конвекция — это перенос энергии струями жидкости или газа. Если в случае с теплопроводностью при теплообмене происходит перенос энергии, то при конвекции происходит перенос именно вещества.

Конвекторы (как и любые другие отопительные приборы) нагревают окружающий воздух, вследствие чего температура в комнате повышается и вам становится тепло. При этом струи теплого воздуха поднимаются вверх, а струи холодного опускаются вниз. Аналогично происходит процесс нагревания воды в чайнике: горячая вода поднимается, а холодная опускается на ее место. Этот же принцип заложен в отопительной системе для обогрева домов.

Различают два вида конвекции: естественная и вынужденная.

Нагревание воздуха в комнате солнечными лучами – это пример естественной конвекции. А вот если воздух нагревается тепловым вентилятором, то это уже вынужденная конвекция. Вентилятор заставляет воздух в комнате двигаться, при этом нагревая его до необходимой температуры. В качестве других примеров конвекции можно привести холодные и теплые морские течения, а также образование и движение облаков и ветров.

Переходим к следующей составляющей: излучение (лучистый теплообмен).

Излучение – это способ переноса энергии от одного тела к другому в виде электромагнитных волн. Как правило, это инфракрасное (IR) излучение. Этот принцип заложен еще в одном уникальном приборе – инфракрасном обогревателе.

Принцип его работы построен на том, что любое нагретое тело является источником излучения. Самый впечатляющий пример – Солнце. Пример поменьше – костер, распространяющий тепло на достаточно большое расстояние. В случае с обогревателем окружающие предметы нагреваются за счет электромагнитного излучения и в комнате становится тепло.

Этот вид теплообмена отличается тем, что может происходить и в вакууме. Ведь солнечная энергия как-то доходит до Земли.

Примечательно, что темные тела лучше поглощают и отдают энергию. Если необходимо максимально нагреть материал, его окрашивают в черный цвет. В качестве примера можно привести солнечные коллекторы (водонагреватели), которые устанавливаются на крышах домов. Эти устройства позволяют собирать тепло от солнца и нагревать теплоноситель, который затем передает тепло внутрь дома для обогрева помещений или нагрева воды.

Хуже всего поглощают энергию светлые материалы или материалы с отражающей способностью. Способность светлых тел хорошо отражать лучистую энергию учитывают в самых разных сферах: при строительстве самолетов, при возведении высотных зданий в жарких странах, даже при выборе цвета одежды в теплое время года. На окнах часто применяют металлизированные пленки, которые частично отражают солнечное тепло и спасают помещение от перегрева.

С базовыми принципами разобрались. Пришло время вернуться к нашей формуле.

Итак, вернемся к теплопроводности.

Структурная и газовая теплопроводность – это теплопроводность компонентов, из которых состоит материал, а именно:

  • твердой фазы – теплопроводности полимерного каркаса с множеством ячеек с очень тонкими, но прочными стенками;
  • газообразной фазы – теплопроводность газа, который находится в ячейках.

Если сравнивать теплоизоляцию PIR с пеностеклом или пенобетоном, то по структуре эти материалы схожи. Все они ячеистые и наполнены газом. Однако теплопроводности этих материалов будут отличаться.

Стекло и бетон, в отличие от пластиков, проводят тепло интенсивнее, соответственно, пеностекло и пенобетон обладают большей теплопроводностью и их показатели в качестве теплоизоляторов несколько хуже. Даже полимеры отличаются друг от друга теплопроводностью.

Как было сказано ранее, представленные материалы ячеистые и в каждом находятся какие-то газы. В пеностекле и пенобетоне это, как правило, окружающий воздух, в PIR – инертные газы. Хуже всего тепло проводят инертные газы, содержание молекул в 1 м3 очень маленькое, расстояние между молекулами очень большое, поэтому передать энергию между молекулами довольно сложно. Намного лучше тепло проводит воздух, поскольку он состоит из смеси разных газов, молекул очень много и все они друг с другом взаимодействуют.

Конвекционную составляющую у мелкоячеистой теплоизоляции обычно не рассматривают, поскольку размер ячеек теплоизоляции PIR ничтожно мал (меньше 1мм) и газ в этих ячейках неподвижен.

Последняя составляющая – излучение. Снизить ее влияние можно за счет применения дополнительных материалов, способных отражать тепловой поток. Для этого можно окрасить материал, скажем, в белый цвет. В случае с теплоизоляционными плитами PIR за отражение тепла отвечает фольга, которая покрывает материал с обеих сторон. Помимо функции отражения тепла фольга также несет защитную функцию с точки зрения утечки вспенивающего газа. По своим свойствам фольга является практически идеальным пароизоляционным материалом, а значит, способна задерживать миграции газов во внешнюю среду из ячеек теплоизоляции.

В процессе эксплуатации легкие инертные газы замещаются на более тяжелый окружающий воздух с хорошей теплопроводностью. Это происходит у всех пористых материалов за счет диффузных процессов.

Рассмотрим в качестве примера обычный воздушный шарик, наполненный гелием, который можно сравнить с одной ячейкой вспененной теплоизоляции. Новый шарик все время стремится улететь высоко в небо. Если утром он еще висел под потолком, то со временем он постепенно опустится и будет висеть в центре комнаты, а еще через несколько часов лежать на полу. Т.е. все это время газ за счет диффузии медленно выходит из шарика, и тот теряет свою «летучесть».

Так же и с теплоизоляцией. «Шарики» (ячейки), которые ближе всего расположены к границе с окружающим воздухом постепенно изменяют свой газовый состав. Однако те «шарики», которые находятся глубоко в материале, делают это очень медленно или не делают вовсе, поскольку инертному газу очень сложно пройти огромное количество стенок соседних «шариков» и вырваться наружу.

Кроме того, поверхность теплоизоляции покрыта фольгой, препятствующей выходу газа, соответственно, теплопроводность материала (ее газовая составляющая) сохраняется.

Итоговую формулу теплопроводности PIR можно записать в виде:

Теплоизоляция – это очень важный показатель. От нее зависит, насколько теплым будет ваш дом. У наиболее эффективной теплоизоляции все ее составляющие () должны быть как можно ниже. У современной изоляции на примере LOGICPIR это достигается за счет применения инертных газов, полимеров и специальных покрытий, отражающих тепловой поток. Уверены, что теперь вы не только сможете безошибочно выбрать теплоизоляционный материал, отвечающий самым высоким требованиям, но и поможете своим детям сдать физику на высший балл.

Чем отличается теплопроводность от теплопередачи

Skip to content

Тепло — это одна из форм энергии, которая заключена в движении атомов в веществе. Энергию этого движения мы и измеряем термометром, хоть и не напрямую.
Как и все другие виды энергии, теплота может передаваться от тела к телу. Происходит это всегда, когда есть тела разной температуры. При этом им необязательно даже находиться в соприкосновении, так существует несколько способов передачи тепла. А именно:

Теплопроводность. Это передача тепла при непосредственном контакте двух тел. (Тело может быть и одно, если его части разной температуры.) При этом чем больше разность температур тел и чем больше площадь их контакта — тем больше тепла передаётся каждую секунду. Помимо этого, количество передаваемого тепла зависит от материала — например, большинство металлов хорошо проводят тепло, а дерево и пластик — гораздо хуже. Величину, характеризующую эту способность передавать тепло, тоже называют теплопроводностью (более корректно – коэффициент теплопроводности), что может приводить к некоторой путанице.

Если необходимо измерить теплопроводность какого-либо материала, то обычно это проводят в следующем эксперименте: изготовляется стержень из интересующего материала и один его конец поддерживается при одной температуре, а другой — при отличной, например более низкой, температуре. Пусть, например, холодный конец будет помещён в воду со льдом — таким образом будет поддерживаться постоянная температура, а измеряя скорость таяния льда можно судить о количестве полученного тепла. Деля количество тепла (а вернее — мощность) на разность температур и поперечное сечение стержня и умножая на его длину, получаем коэффициент теплопроводности, измеряющийся, как следует из вышенаписанного, в Дж*м/К*м 2 *с, то есть в Вт/К*м. Ниже вы видите таблицу теплопроводности некоторых материалов.

Материал
Теплопроводность, Вт/(м·K)
Алмаз 1001—2600
Серебро 430
Медь 401
Оксид бериллия 370
Золото 320
Алюминий 202—236
Кремний 150
Латунь 97—111
Хром 107
Железо 92
Платина 70
Олово 67
Оксид цинка 54
Сталь 47
Оксид алюминия 40
Кварц 8
Гранит 2,4
Бетон сплошной 1,75
Базальт 1,3
Стекло 1-1,15
Термопаста КПТ-8 0,7
Вода при нормальных условиях 0,6
Кирпич строительный 0,2—0,7
Древесина 0,15
Нефтяные масла 0,12
Свежий снег 0,10—0,15
Стекловата 0,032-0,041
Каменная вата 0,034-0,039
Воздух (300 K, 100 кПа) 0,022

Как видно, теплопроводность различается на много порядков. Удивительно хорошо проводят тепло алмаз и оксиды некоторых металлов (по сравнению с другими диэлектриками), плохо проводят тепло воздух, снег и термопаста КПТ-8.

Но мы привыкли считать, что воздух хорошо проводит тепло, а вата — нет, хотя она может на 99% состоять из воздуха. Дело в конвекции. Горячий воздух легче холодного, и «всплывает» наверх, порождая постоянную циркуляцию воздуха вокруг нагретого или сильно охлаждённого тела. Конвекция на порядок улучшает теплопередачу: при её отсутствии было бы очень затруднительно вскипятить кастрюлю воды, не перемешивая её постоянно. А в диапазоне от 0°С до 4°С вода при нагревании сжимается, что приводит к конвекции в противоположном от привычного направлении. Это приводит к тому, что независимо от температуры воздуха, на дне глубоких озёр температура всегда устанавливается равной 4°C

Для уменьшения теплоотдачи из пространства между стенками термосов откачивают воздух. Но надо отметить, что теплопроводность воздуха мало зависит от давления вплоть до 0,01мм рт. ст, то есть границы глубокого вакуума. Этот феномен объясняется теорией газов.

Ещё один способ теплопередачи — это излучение. Все тела излучают энергию в виде электромагнитных волн, но только достаточно сильно нагретые (

600°С) излучают в видимом нами диапазоне. Мощность излучения даже при комнатной температуре достаточно большая — порядка 40мВт с 1см 2 . В пересчёте на площадь поверхности человеческого тела (

1м 2 ) это составит 400Вт. Спасает лишь то, что в привычном нам окружении все тела вокруг также излучают с примерно той же мощностью. Мощность излучения, кстати, сильно зависит от температуры (как T 4 ) , согласно закону Стефана-Больцмана. Расчёты показывают, что, например, при 0°С мощность теплового излучения примерно в полтора раза слабее, чем при 27°С.

В отличие от теплопроводности, излучение может распространяться в полном вакууме — именно благодаря нему живые организмы на Земле получают энергию Солнца. Если теплопередача излучением нежелательна, то её минимизируют, ставя непрозрачные перегородки между холодным и горячим объектами, либо уменьшают поглощение излучения (и испускание, кстати, в ровно той же степени), покрывая поверхность тонким зеркальным слоем металла, например, серебра.

  • Данные по теплопроводности взяты из Wikipedia, а туда они попали из справочников, таких, как:
  • «Физические величины» под ред. И. С. Григорьева
  • CRC Handbook of Chemistry and Physics
  • Более строгое описание теплопроводности можно найти в учебнике по физике, например в «Общей физике» Д.В.Сивухина (Том 2). В 4 томе есть глава, посвящённая тепловому излучению (в т.ч. закону Стефана-Больцмана)

Тепло — это одна из форм энергии, которая заключена в движении атомов в веществе. Энергию этого движения мы и измеряем термометром, хоть и не напрямую.
Как и все другие виды энергии, теплота может передаваться от тела к телу. Происходит это всегда, когда есть тела разной температуры. При этом им необязательно даже находиться в соприкосновении, так существует несколько способов передачи тепла. А именно:

Теплопроводность. Это передача тепла при непосредственном контакте двух тел. (Тело может быть и одно, если его части разной температуры. ) При этом чем больше разность температур тел и чем больше площадь их контакта — тем больше тепла передаётся каждую секунду. Помимо этого, количество передаваемого тепла зависит от материала — например, большинство металлов хорошо проводят тепло, а дерево и пластик — гораздо хуже. Величину, характеризующую эту способность передавать тепло, тоже называют теплопроводностью (более корректно – коэффициент теплопроводности), что может приводить к некоторой путанице.

Если необходимо измерить теплопроводность какого-либо материала, то обычно это проводят в следующем эксперименте: изготовляется стержень из интересующего материала и один его конец поддерживается при одной температуре, а другой — при отличной, например более низкой, температуре. Пусть, например, холодный конец будет помещён в воду со льдом — таким образом будет поддерживаться постоянная температура, а измеряя скорость таяния льда можно судить о количестве полученного тепла. Деля количество тепла (а вернее — мощность) на разность температур и поперечное сечение стержня и умножая на его длину, получаем коэффициент теплопроводности, измеряющийся, как следует из вышенаписанного, в Дж*м/К*м 2 *с, то есть в Вт/К*м. Ниже вы видите таблицу теплопроводности некоторых материалов.

Материал
Теплопроводность, Вт/(м·K)
Алмаз 1001—2600
Серебро 430
Медь 401
Оксид бериллия 370
Золото 320
Алюминий 202—236
Кремний 150
Латунь 97—111
Хром 107
Железо 92
Платина 70
Олово 67
Оксид цинка 54
Сталь 47
Оксид алюминия 40
Кварц 8
Гранит 2,4
Бетон сплошной 1,75
Базальт 1,3
Стекло 1-1,15
Термопаста КПТ-8 0,7
Вода при нормальных условиях 0,6
Кирпич строительный 0,2—0,7
Древесина 0,15
Нефтяные масла 0,12
Свежий снег 0,10—0,15
Стекловата 0,032-0,041
Каменная вата 0,034-0,039
Воздух (300 K, 100 кПа) 0,022

Как видно, теплопроводность различается на много порядков. Удивительно хорошо проводят тепло алмаз и оксиды некоторых металлов (по сравнению с другими диэлектриками), плохо проводят тепло воздух, снег и термопаста КПТ-8.

Но мы привыкли считать, что воздух хорошо проводит тепло, а вата — нет, хотя она может на 99% состоять из воздуха. Дело в конвекции. Горячий воздух легче холодного, и “всплывает” наверх, порождая постоянную циркуляцию воздуха вокруг нагретого или сильно охлаждённого тела. Конвекция на порядок улучшает теплопередачу: при её отсутствии было бы очень затруднительно вскипятить кастрюлю воды, не перемешивая её постоянно. А в диапазоне от 0°С до 4°С вода при нагревании сжимается, что приводит к конвекции в противоположном от привычного направлении. Это приводит к тому, что независимо от температуры воздуха, на дне глубоких озёр температура всегда устанавливается равной 4°C

Для уменьшения теплоотдачи из пространства между стенками термосов откачивают воздух. Но надо отметить, что теплопроводность воздуха мало зависит от давления вплоть до 0,01мм рт. ст, то есть границы глубокого вакуума. Этот феномен объясняется теорией газов.

Ещё один способ теплопередачи — это излучение. Все тела излучают энергию в виде электромагнитных волн, но только достаточно сильно нагретые (

600°С) излучают в видимом нами диапазоне. Мощность излучения даже при комнатной температуре достаточно большая — порядка 40мВт с 1см 2 . В пересчёте на площадь поверхности человеческого тела (

1м 2 ) это составит 400Вт. Спасает лишь то, что в привычном нам окружении все тела вокруг также излучают с примерно той же мощностью. Мощность излучения, кстати, сильно зависит от температуры (как T 4 ) , согласно закону Стефана-Больцмана. Расчёты показывают, что, например, при 0°С мощность теплового излучения примерно в полтора раза слабее, чем при 27°С.

В отличие от теплопроводности, излучение может распространяться в полном вакууме — именно благодаря нему живые организмы на Земле получают энергию Солнца. Если теплопередача излучением нежелательна, то её минимизируют, ставя непрозрачные перегородки между холодным и горячим объектами, либо уменьшают поглощение излучения (и испускание, кстати, в ровно той же степени), покрывая поверхность тонким зеркальным слоем металла, например, серебра.

  • Данные по теплопроводности взяты из Wikipedia, а туда они попали из справочников, таких, как:
  • «Физические величины» под ред. И. С. Григорьева
  • CRC Handbook of Chemistry and Physics
  • Более строгое описание теплопроводности можно найти в учебнике по физике, например в «Общей физике» Д.В.Сивухина (Том 2). В 4 томе есть глава, посвящённая тепловому излучению (в т.ч. закону Стефана-Больцмана)

Теплопередача — физический процесс передачи тепловой энергии от более горячего тела к более холодному либо непосредственно (при контакте) , либо через разделяющую (тела или среды) перегородку из какого-либо материала. Когда физические тела одной системы находятся при разной температуре, то происходит передача тепловой энергии, или теплопередача от одного тела к другому до наступления термодинамического равновесия. Самопроизвольная передача тепла всегда происходит от более горячего тела к более холодному, что является следствием второго закона термодинамики.

  • Без рубрики
  • Дримкаст аксессуары
  • Дримкаст игры
  • Дримкаст прохождения
  • Дримкаст эмуляторы
  • История
  • Компьютеры
  • Помощь
  • Приставки

Adblock
detector

Теплопередача. Виды теплопередачи. Теплопроводность. Основы теории теплопередачи и способы передачи тепла

Теплопередача – это способ изменения внутренней энергии тела при передаче энергии от одной части тела к другой или от одного тела к другому без совершения работы. Существуют следующие виды теплопередачи : теплопроводность, конвекция и излучение.

Теплопроводность

Теплопроводность – это процесс передачи энергии от одного тел а к другому или от одной части тела к дpугой благодаря тепловому движению частиц. Важно, что при теплопроводности не происходит перемещения вещества, от одного тела к другом у или от одной части телa к другой передается энергия.

Разные вещества обладают разной теплопроводностью. Если на дно пробирки, наполненной водой, положить кусочек льда и верхний её конец поместить над пламенем спиртовки, то через некоторое время вода в верхней части пробирки закипит, а лёд при этом не растает. Следовательно, вода, так же как и все жидкости, обладает плохой теплопроводностью.

Ещё более плохой теплопроводность ю обладают газы. Возьмём пробирку, в которой нет ничего, кроме воздуха, и расположим её над пламенем спиртовки. Палец, помещённый в пробирку, не почувствует тепла. Следовательно, воздух и другие газы обладает плохой теплопроводностью.

Хорошими проводниками теплоты являются металлы, самыми плохими – сильно разреженные газы. Это объясняется особенностями их строения. Молекулы газов находятся друг от друга на расстояниях, больших, чем молекулы твёрдых тел, и значительно реже сталкиваются. Поэтому и передача энергии от одних молекул к другим в газах происходит не столь интенсивно, как в твёрдых телах. Теплопроводность жидкости занимает промежуточное положение между теплопроводностью газов и твёрдых тел.

Конвекция

Как известно, газы и жидкости плохо проводят теплоту. В то же время от батарей парового отопления нагревается воздух. Это происходит благодаря такому виду теплопроводности, как конвекция.

Если вертушку, сделанную из бумаги, поместить над источником тепла, то вертушка начнёт вращаться. Это происходит потому, что нагретые менее плотные слои воздуха под действием выталкивающей силы поднимаются вверх, а более холодные движутся вниз и занимают их место, что и приводит к вращению вертушки.

Конвекция – вид теплопередачи, при котором энергия передаётся слоями жидкости или газа. Конвекция связана с переносом вещества, поэтому она может осуществляться только в жидкостях и газах; в твёрдых телах конвекция не происходит.

Излучение

Третий вид теплопередачи – излучение . Если поднести руку к спирали электроплитки, включённой в сеть, к горящей электрической лампочке, к нагретому утюгу, к батарее отопления и т.п., то можно явно ощутить тепло.

Опыты также показывают, что чёрные тела хорошо поглощают и излучают энергию, а белые или блестящие плохо испускают и плохо поглощают её. Они хорошо энергию отражают. Поэтому понятно, почему летом носят светлую одежду, почему дома на юге предпочитают красить в белый цвет.

Путём излучения энергия передаётся от Солнца к Земле. Поскольку пространство между Солнцем и Землёй представляет собой вакуум (высота атмосферы Земли много меньше расстояния от неё до Солнца), то энергия не может передаваться ни путём конвекции, ни путём теплопроводности. Таким образом, для передачи энергии путём излучения не требуется наличия какой-либо среды, эта теплопередача может осуществляться и в вакууме.

Теплопередача в природе позволяет существовать Вселенной в том виде, к которому все мы привыкли. Трудно сказать, как бы выглядел мир, исчезни процесс теплопередачи хоть на мгновение. Давайте подробнее рассмотрим, какие существуют виды теплопередачи и что понимается под этим термином.

Согласно общепринятому определению, теплопередача представляет собой физический процесс, при котором тепловая энергия тем или иным способом распределяется между несколькими телами с различной степенью нагрева. Процесс прекращается при выравнивании их температур, или, другими словами, при достижении

Перечислим, какие бывают базовые виды теплопередачи: конвекция, теплопроводность, излучение. Все остальные возможные разновидности представляют собой сочетание двух или нескольких базовых способов. Этот момент всегда необходимо учитывать.

Конвекция знакома каждому с детства. Само латинское слово «convectio» означает перенос. Следовательно, при конвекции имеет место перенос тепла потоками самого вещества. Она характерна для газов и жидкостей, хотя иногда происходит в некоторых сыпучих материалах. Представим жаркий летний день: над поверхностью нагретой земли заметно легкое марево – это искажение объясняется восходящими воздушными потоками. С наступлением ночи, когда нагревающее действие прекращается, начинается процесс выравнивания температур поверхности земли и воздуха: почва сообщает тепловую энергию нижним (это смешанный механизм передачи тепла), которые поднимаются вверх, замещаясь более холодными воздушными массами. Вот другой пример: помещаем кипятильник в емкость с водой и включаем его в сеть. При внимательном наблюдении заметны движущиеся потоки воды. Горячие массы смещаются от источника тепла, а на их место поступают более холодные.

Что может быть лучше интересной беседы за чашкой горячего чая холодным зимним вечером? При этом достаточно на мгновение отвлечься и взяться за выглядывающий край металлической ложки, чтобы быстро отдернуть руку, избегая ожога. Причина проста – некоторые виды теплопередачи очень быстро нагрели металл ложки до температуры воды в чашке. Речь идет о теплопроводности. Ситуаций, в которых можно встретиться с таким видом передачи тепла, огромное количество. Дадим определение: теплопроводность – это перенос тепловой энергии от более нагретого участка тела к более холодному посредством составляющих тело частиц (электроны, атомы, молекулы). Частный случай – передача тепла между разными объектами, находящимися в соприкосновении. Разные материалы обладают различной теплопроводностью. Так, если нагреть один конец то второй будет холодным. А вот если проделать такой опыт с металлическим прутом, то результат будет противоположный. Данная разница обусловлена различием во внутренней структуре материалов.

Рассматривая нельзя не упомянуть передачу тепла излучением. Источник тепла генерирует электромагнитные колебания с длиной волны до 1000 мкм (инфракрасная часть спектра). Интенсивность лучистого потока и температура нагретого тела находятся в прямой зависимости. Чтобы понять, как излучение переносит тепло, достаточно провести небольшой эксперимент – разжечь костер и поместить между собой и огнем прозрачное стекло. Несмотря на преграду, тепло все равно будет передаваться. Или посмотрите на кошку, которая зимой лежит на подоконнике под лучами солнца, греясь. Все просто – в этих примерах тепловая энергия передается излучением. Одна из особенностей такого способа передачи тепла – независимость от промежуточных сред. Если при конвекции перенос происходит самим веществом (газом), а при теплопроводности – частицами, то излучение не нуждается в «посредниках». Так, Солнце передает свое тепло через вакуум именно посредством излучения.

Теплопередачей или теорией теплообмена называют науку, изучающую законы переноса теплоты в твердых, жидких и газообразных телах.

Основы учения о теплоте были заложены русским ученым

М.В. Ломоносовым, в середине XVIII в. создавшим механическую теорию теплоты и основы закона сохранения и превращения материи и энергии. В дальнейшем развитии учения о теплоте разрабатывались его общие положения.

В настоящее время теплопередача вместе с технической термодинамикой составляет теоретические основы теплотехники.

3.2. Основные виды теплообмена

Различные тела могут обмениваться внутренней энергией в форме теплоты. Процесс теплообмена – это самопроизвольный процесс переноса (передачи) теплоты в пространстве при неоднородном распределении температур. Разность температур – это необходимое условие теплообмена, причем тепло распространяется от тел с большей температурой к телам с меньшей температурой. Перенос теплоты при наличии разности температур может быть осуществлен внутри твердого тела, в жидкой, газообразной среде, на границе твердого тела с окружающей его средой, в двух средах, разделенных перегородкой.

Исследования показывают, что теплообмен является сложным процессом. Однако ради простоты изучения различают три элементарных вида теплообмена: теплопроводность (кондукцию), конвекцию и тепловое излучение.

Теплопроводностью называется перенос теплоты внутри тела соприкасающимися, беспорядочно движущимися микрочастицами (атомами, молекулами, электронами). То есть частицы, соприкасаясь, разносят тепло. 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. В жидкостях (капельных и газообразных) процесс переноса теплоты теплопроводностью очень невелик.

Конвекция – перенос теплоты при перемещении объемов текущей среды (жидкости или газа) в пространстве из области с одной температурой в область с другой температурой. Различают свободную и вынужденную конвекции. При свободной конвекции перемещение жидкости происходит под действием разности плотностей отдельных частей жидкости при нагревании, например, перенос теплоты от наружной поверхности горячей батареи холодному воздуху в помещении. Если перемещение вызывается искусственно вентилятором, насосом, мешалкой и т.д., то такая конвекция называется вынужденной. При этом распространение теплоты, т.е. прогревание всей массы жидкости, происходит значительно быстрее, чем при свободной.

Тепловое излучение – процесс переноса теплоты в виде электромагнитных волн с двойным взаимным превращением – тепловой энергии в лучистую и обратно.

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.

Рассмотренные формы переноса теплоты во многих случаях осуществляются совместно двумя, а чаще – тремя способами. Например, обмен теплотой между твердой поверхностью и жидкостью (или газом) происходит путем теплопроводности и конвекции одновременно и называется конвективным теплообменом или теплоотдачей. В паровых котлах в процессе переноса теплоты от топочных газов к внешней поверхности кипятильных труб одновременно участвуют все три вида теплообмена – теплопроводность, конвекция и тепловое излучение. От внешней поверхности кипятильных труб к внутренней через слой сажи, металлическую стенку и слой накипи теплота переносится путем теплопроводности. Наконец, от внутренней поверхности труб к воде теплота переносится путем теплопроводности и конвекции. В практических расчетах такие сложные процессы иногда целесообразно рассматривать как одно целое. Так, например, передачу теплоты от горячей жидкости к холодной через разделяющую их стенку называют процессом теплопередачи.

Рассмотрим каждый из трех способов переноса теплоты (теплопроводность, конвекцию и тепловое излучение), а также и объединяющий их сложный процесс переноса теплоты.

Теплопроводность

Процесс теплопроводности неразрывно связан с распределением температуры внутри тела. Поэтому, при его изучении, прежде всего необходимо установить понятия температурного поля и градиентатемпературы.

Температура, как известно, характеризует тепловое состояние тела и определяет степень его нагретости. Совокупность значений температуры для всех точек пространства в данный момент времени называется температурным полем. Если температура меняется во времени, поле называется неустановившимся (нестационарным), а если не меняется – установившимся (стационарным).

При любом температурном поле в теле всегда имеются точки с одинаковой температурой. Геометрическое место таких точек образует изотермическую поверхность . Так как в одной и той же точке пространства одновременно не может быть двух различных температур, то изотермические поверхности друг с другом не пересекаются; все они или замыкаются на себе или кончаются на границах тела. Следовательно, изменение температуры в теле наблюдается лишь в направлениях, пересекающих изотермические поверхности (например, направление х, рис. 1)

Рис 1. К определению температурного градиента.

При этом более резкое изменение температуры получается в направлении нормали n к изотермической поверхности. Предел отношения изменения температуры к расстоянию между изотермами по нормали называется градиентом температур : = (1)

Температурный градиент является вектором, направленным по нормали к изотермической поверхности в сторону возрастания температуры. Температурный градиент показывает, насколько интенсивно (резко) меняется температура в толще тела и является важной величиной, определяющей многие физические явления (появление трещин в хрупком теле от неравномерного нагрева, термические деформации и т. д.)

Теплота самопроизвольно переносится только в сторону убывания температуры. Количество теплоты, переносимое через какую-либо изотермическую поверхность в единицу времени, называется тепловым потоком .

Тепловой поток, отнесенный к единице площади изотермической поверхности, называется плотностью теплового потока :

(2)

Величины Q и q являются векторами, направленными по нормали к изотермической поверхности, причем за положительное направление принимается направление в сторону уменьшения температуры. Векторы теплового потока и градиента температур противоположны.

Основной закон теплопроводности (закон Фурье) формулируется следующим образом: плотность теплового потока пропорциональна градиенту температуры: (3)

где коэффициент теплопроводности, характеризующий способность тел проводить теплоту и зависящий от химического состава и физического строения вещества, его температуры, влажности и пористости. Влага, заполняя поры тела, увеличивает теплопроводность, а пористость наоборот, уменьшает ее, так как чем пористее тело, тем больше в нем содержится воздуха, а теплопроводность воздуха, как и вообще всех газов, низкая (в 20 – 25 раз меньше теплопроводности воды).

Приближенные значения коэффициента теплопроводности для некоторых материалов приведены в приложении в табл. 1.

Основы теплопередачи

К атегория:

Передвижные электростанции

Основы теплопередачи

Теплопередачей или теплообменом называется процесс переачи тепловой энергии (теплоты) как внутри тела от более нагретых его частиц к менее нагретым, так и от одних тел к другим. Теплопередача играет большую роль в работе теплосиловых установок и их агрегатов, паровых котлов и машин, двигателей внутреннего сгорания, радиаторов и др.

Теплообмен представляет собой сложный процесс и может осуществляться теплопроводностью, конвекцией и тепловым излучением.

Теплопроводностью называется передача тепловой энергии от одних соприкасающихся частиц или тел к другим. Этим способом теплота передается главным образом в твердых телах, но может передаваться в жидкостях и газах.

Молекулы, обладающие большой кинетической энергией, при столкновении с молекулами, имеющими меньшую кинетическую энергию, передают последним часть своей тепловой энергии.

В металлах теплота передается колебаниями мельчайших частиц, а в жидкостях и газах – перемешиванием.

Если нагревать воду или газ (в закрытом сосуде сверху), то теплота верхних слоев воды или газа будет передаваться холодным нижним слоям только в результате теплопроводности.

Конвекцией называется передача теплоты путем перемешивания между собой частиц газа или жидкости и перемещения их из области одних температур в область других температур. Передача теплоты совместным действием теплопроводности и конвекции называется конвективным теплообменом.

Конвективный теплообмен возможен между металлической стенкой и газом или жидкостью, омывающими эту стенку. Частицы газа или жидкости, соприкасающиеся с горячей стенкой, нагреваются в результате теплопроводности; вследствие разности плотностей нагретых и холодных частиц возникает подъемная сила, под действием которой нагретые частицы перемещаются вверх и переносят с собой некоторое количество теплоты. Такая передача теплоты называется естественной или свободной конвекцией.

При вынужденном перемещении частиц жидкости или газа (с помощью насоса или вентилятора) интенсивность теплообмена значительно увеличивается; такая теплопередача называется принудительной конвекцией.

Конвекция всегда сопровождается теплопроводностью, которая в неподвижном теплоносителе невелика, так как газы и жидкости -плохие проводники теплоты.

Примером конвективного теплообмена может служить нагревание воды в паровом котле: передача теплоты от нагретой стенки котла к воде осуществляется главным образом естественной конвекцией и лишь в незначительной части – теплопроводностью.

Тепловым излучением или лучеиспусканием называется передача тепловой энергии от одного тела к другому электромагнитными волнами. Часть тепловой энергии каждого-тела превращается в лучистую энергию, которая в виде электромагнитных волн распространяется во ‘все стороны. Встречая на> своем пути другие тела, лучистая энергия частично поглощается ими, превращаясь снова в тепловую энергию (теплоту).

В практических условиях теплообмен осуществляется не одним каким-либо способом, а одновременно всеми. Такой теплообмен принято называть сложным.

Теплопроводность. Рассмотрим часто встречающуюся на практике передачу теплоты теплопроводностью через плоскую стенку. Процесс передачи теплоты будем считать стационарным, т.е. температура в различных точках стенки с течением времени не изменяется.

Следовательно, коэффициент теплопроводности представляет собой количество теплоты, передаваемое через стенку толщиной 1 м и площадью 1 м2 при разности температур 1 °С в течение 1 ч.

Коэффициент теплопроводности зависит от структуры, удельного веса, влажности и температуры вещества. При расчетах значения коэффициентов теплопроводности берут из справочников.

Рис. 1. Схема передачи теплоты через однослойную, стенку

Конвекция. Рассмотрим теплообмен конвекцией между жидкостью и стенкой.

Коэффициент теплоотдачи а может быть определен только опытным путем. Так как коэффициент теплоотдачи зависит от значительного количества факторов, для его определения требуется проведение большого числа опытов.

Для сокращения количества опытов разработана так называемая «теория подобия». Теория подобия дает возможность проводить опыты не на самих аппаратах, для которых нужно определить коэффициент теплоотдачи, а «а уменьшенных и упрощенных моделях, что требует меньших затрат и может быть выполнено в более короткие сроки.

Тепловое излучение. Передача теплоты излучением не требует непосредственного соприкосновения тел и может происходить при значительном расстоянии между ними.

Каждое тело непрерывно излучает и поглощает лучистую энергию. Лучистая энергия является результатом сложных молекулярных и внутримолекулярных процессов, порождаемых энергией других видов. Источником теплового излучения является тепловая энергия. Количество возникающей лучистой энергии зависит от физических свойств и температуры излучающего тела.

Излучение тел представляет собой электромагнитные колебания с длиной волны от долей микрона до десятков километров: космические, рентгеновы, ультрафиолетовые, световые, инфракрасные и другие лучи. Свойства этих лучей различны; для теплотехники представляют интерес такие лучи, которые поглощаются телами и энергия которых снова превращается в тепловую. Такими свойствами обладают световые и инфракрасные лучи, длины волн которых колеблются от 0,4 до 40 мкм.

Попадая на какое-либо тело, лучистая энергия частично поглощается им, частично отражается от него и частично проходит сквозь тело. Тело, полностью поглощающее попадающую на него лучистую энергию, называется абсолютно черным, полностью отражающее – абсолютно белым. Тела, которые полностью пропускают через себя лучистую энергию, называются прозрачными (или диатермичными).

Абсолютно черных и абсолютно белых тел в природе не существует. Поэтому обычно принято называть тела серыми. К абсолютно черным телам близки бархат, черное сукно и сажа, которые поглощают до 95-98% теплового излучения. К абсолютно белым телам близки полированные медь и алюминий, которые поглощают только 2-4% теплового излучения. Приме-

В теплотехнике, как было указано выше, часто происходит сложный теплообмен: например, между продуктами сгорания топлива и стенкой (топка парового котла, камера сгорания и цилиндр дизеля). При этом теплообмен осуществляется конвекцией и излучением.

Теплообмен излучением наиболее интенсивно происходит при температурах выше 600 °С; при меньших температурах теплота передается в основном конвекцией и теплопроводностью.

Многоатомные газы также способны излучать и поглощать лучистую энергию. В продуктах сгорания топлива содержатся трехатомные газы СОг и НгО, а также двухатомные N2, Ог и СО.

Газы излучают и поглощают лучистую энергию в определенных интервалах длин волн.

Закономерности излучения различных газов различны. Однако для упрощения практических расчетов количество энергии, излучаемой газом, принято определять по закону Стефана-Больц-мана. Степень черноты газов берется из таблиц или графиков.

В теплотехнике наиболее часто передача тепла от одной среды (греющей) к другой (нагреваемой) осуществляется через однослойную или многослойную стенку. Такой общий процесс передачи тепла может быть расчленен на несколько простейших процессов.

Рассмотрим процесс передачи тепла от греющей среды к нагреваемой через плоскую трехслойную стенку (рис. 2). Будем считать, что тепловой поток направлен слева направо, температура греющей среды (жидкости или газа) tu а температура нагреваемой среды (жидкости или газа) t2.

От греющей среды к поверхности первого слоя стенки теплота передается только конвекцией или конвекцией и излучением, через трехслойную стенку – теплопроводностью и, наконец, от третьего слоя стенки к нагреваемой среде- конвекцией. На всех указанных этапах передачи теплоты от греющей среды к нагреваемой тепловой поток будет одинаковым.

Коэффициент теплопередачи выражает собой количество теплоты, которое передается от греющей среды к нагреваемой череа стенку площадью 1 м2 при разности температур 1°С в течение 1 ч. Значение коэффициента теплопередачи для трехслойной стенки определяют по формуле

Рис. 2. Схема теплопередачи через трехслойную стенку

Теплообмен – это процесс изменения внутренней энергии без совершения работы над телом или самим телом.
Теплообмен всегда происходит в определенном направлении: от тел с более высокой температурой к телам с более низкой .
Когда температуры тел выравниваются, теплообмен прекращается.
Теплообмен может осуществляться тремя способами:

  1. теплопроводностью
  2. конвекцией
  3. излучением

Теплопроводность

Теплопроводность – явление передачи внутренней энергии от одной части тела к другой или от одного тела к другому при их непосредственном контакте.
Наибольшей теплопроводностью обладают металлы – она у них в сотни раз больше, чем у воды. Исключением являются ртуть и свинец , но и здесь теплопроводность в десятки раз больше, чем у воды.
При опускании металлической спицы в стакан с горячей водой очень скоро конец спицы становился тоже горячим. Следовательно, внутренняя энергия, как и любой вид энергии, может быть передана от одних тел к другим. Внутренняя энергия может передаваться и от одной части тела к другой. Так, например, если один конец гвоздя нагреть в пламени, то другой его конец, находящийся в руке, постепенно нагреется и будет жечь руку.
Нагревание кастрюли на электрической плитке происходит через теплопроводность.
Изучим это явление, проделав ряд опытов с твердыми телами, жидкостью и газом.
Внесем в огонь конец деревянной палки. Он воспламенится. Другой конец палки, находящийся снаружи, будет холодным. Значит, дерево обладает плохой теплопроводностью .
Поднесем к пламени спиртовки конец тонкой стеклянной палочки. Через некоторое время он нагреется, другой же конец, останется холодным. Следовательно, и стекло имеет плохую теплопроводность .
Если же мы будем нагревать в пламени конец металлического стержня, то очень скоро весь стержень сильно нагреется. Удержать его в руках мы уже не сможем.
Значит, металлы хорошо проводят тепло, т. е. имеют большую теплопроводность. Наибольшей теплопроводностью обладают серебро и медь .
Теплопроводность у различных веществ различна.
Плохой теплопроводностью обладают шерсть, волосы, перья птиц, бумага, пробка и другие пористые тела. Это связано с тем, что между волокнами этих веществ содержится воздух. Самой низкой теплопроводностью обладает вакуум (освобожденное от воздуха пространство). Объясняется это тем, что теплопроводность – это перенос энергии от одной части тела к другой, который происходит при взаимодействии молекул или других частиц. В пространстве, где нет частиц, теплопроводность осуществляться не может.
Если возникает необходимость предохранить тело от охлаждения или нагревания, то применяют вещества с малой теплопроводностью. Так, для кастрюль, сковородок ручки из пластмассы. Дома строят из бревен или кирпича, обладающих плохой теплопроводностью, а значит, предохраняют от охлаждения.

Конвекция

Конвекция – это процесс теплопередачи, осуществляемый путем переноса энергии потоками жидкости или газа.
Пример явления конвекции : небольшая бумажная вертушка, поставленная над пламенем свечи или электрической лампочкой, под действием поднимающегося нагретого воздуха начинает вращаться. Это явление можно объяснить таким образом. Воздух, соприкасаясь с теплой лампой, нагревается, расширяется и становится менее плотным, чем окружающий его холодный воздух. Сила Архимеда, действующая на теплый воздух со стороны холодного снизу вверх, больше, чем сила тяжести, которая действует на теплый воздух. В результате нагретый воздух «всплывает», поднимается вверх, а его место занимает холодный воздух.
При конвекции энергия переносится самими струями газа или жидкости.
Различают два вида конвекции:

  • естественная (или свободная)

Возникает в веществе самопроизвольно при его неравномерном нагревании. При такой конвекции нижние слои вещества нагреваются, становятся легче и всплывают, а верхние слои, наоборот, остывают, становятся тяжелее и опускаются вниз, после чего процесс повторяется.

  • вынужденная

Наблюдается при перемешивании жидкости мешалкой, ложкой, насосом и т. д.
Для того, чтобы в жидкостях и газах происходила конвекция, необходимо их нагревать снизу.
Конвекция в твердых телах происходить не может.

Излучение

Излучение – электромагнитное излучение, испускаемое за счет внутренней энергии веществом, находящимся при определенной температуре.
Мощность теплового излучения объекта, удовлетворяющего критериям абсолютно черного тела, описывается законом Стефана – Больцмана.
Отношение излучательной и поглощательной способностей тел описывается законом излучения Кирхгофа.
Передача энергии излучением отличается от других видов теплопередачи: она может осуществляться в полном вакууме .
Излучают энергию все тела: и сильно нагретые, и слабо, например тело человека, печь, электрическая лампочка и др. Но чем выше температура тела, тем больше энергии передает оно путем излучения. При этом энергия частично поглощается этими телами, а частично отражается. При поглощении энергии тела нагреваются по-разному, в зависимости от состояния поверхности.
Тела с темной поверхностью лучше поглощают и излучают энергию, чем тела, имеющие светлую поверхность. В то же время тела с темной поверхностью охлаждаются быстрее путем излучения, чем тела со светлой поверхностью. Например, в светлом чайнике горячая вода дольше сохраняет высокую температуру, чем в темном.

Разница между проводимостью, конвекцией и излучением (со сравнительной таблицей)

В то время как проводимость представляет собой передачу тепловой энергии при прямом контакте, конвекция представляет собой перемещение тепла за счет фактического движения материи; излучение это передача энергии с помощью электромагнитных волн.

Материя присутствует вокруг нас в трех состояниях: твердом, жидком и газообразном. Переход вещества из одного состояния в другое называется изменением состояния, происходящим за счет теплообмена между веществом и окружающей его средой. Итак, теплота – это переход энергии из одной системы в другую, за счет разности температур, который происходит тремя различными способами: теплопроводностью, конвекцией и излучением.

Люди часто неправильно понимают эти формы теплопередачи, но они основаны на различных физических взаимодействиях для передачи энергии. Чтобы изучить разницу между проводимостью, конвекцией и излучением, давайте взглянем на статью, представленную ниже.

Содержание: проводимость, конвекция и излучение

  1. Сравнительная таблица
  2. Определение
  3. Ключевые отличия
  4. Заключение

Сравнительная таблица

Основа для сравнения Проводимость Конвекция Излучение
Значение Теплопроводность — это процесс, при котором происходит передача тепла между объектами путем прямого контакта. Конвекция относится к форме теплопередачи, при которой передача энергии происходит внутри жидкости. Излучение относится к механизму передачи тепла без какого-либо физического контакта между объектами.
Представление Как тепло распространяется между объектами, находящимися в прямом контакте. Как тепло проходит через жидкости. Как тепло течет через пустые пространства.
Причина Из-за разницы температур. Из-за разницы в плотности. Происходит от всех объектов при температуре выше 0 К.
Возникновение Возникает в твердых телах в результате молекулярных столкновений. Возникает в жидкостях в результате фактического течения материи. Происходит на расстоянии и не нагревает промежуточное вещество.
Передача тепла Использует нагретое твердое вещество. Использует промежуточное вещество. Использует электромагнитные волны.
Скорость Медленная Медленная Быстрая
Закон отражения и преломления Не соблюдается Не соблюдается Соблюдается

Определение теплопроводности

Теплопроводность можно понимать как процесс, который обеспечивает прямую передачу тепла через вещество из-за разницы температур между соседними частями объекта. Это происходит, когда температура молекул, присутствующих в веществе, увеличивается, что приводит к сильной вибрации. Молекулы сталкиваются с окружающими молекулами, заставляя их тоже вибрировать, что приводит к переносу тепловой энергии в соседнюю часть объекта.

Проще говоря, всякий раз, когда два объекта находятся в непосредственном контакте друг с другом, происходит передача тепла от более горячего объекта к более холодному, что происходит благодаря теплопроводности. Далее, объекты, которые позволяют теплу легко проходить через них, называются проводниками.

Определение конвекции

В науке под конвекцией подразумевается форма передачи тепла посредством реального движения материи, которое происходит только в жидкостях. Жидкость относится к любому веществу, молекулы которого свободно перемещаются из одного места в другое, например к жидкости или газу. Это происходит естественно или даже принудительно.

Гравитация играет большую роль в естественной конвекции, так что когда вещество нагревается снизу, это приводит к расширению более горячей части. За счет плавучести более горячее вещество поднимается вверх, так как оно менее плотное, а более холодное заменяет его, опускаясь на дно, за счет большой плотности, которое при нагревании движется вверх, и процесс продолжается. При конвекции при нагревании вещества его молекулы расходятся и расходятся.

Когда конвекция осуществляется принудительно, вещество вынуждено двигаться вверх с помощью любых физических средств, таких как насос. Например. Система воздушного отопления.

Определение излучения

Механизм теплопередачи, в котором не требуется среда, называется излучением. Это относится к движению тепла волнами, так как для прохождения через него не нужны молекулы. Объект не должен находиться в прямом контакте друг с другом для передачи тепла. Всякий раз, когда вы чувствуете тепло, не касаясь предмета, это происходит из-за излучения. Кроме того, цвет, ориентация поверхности и т. д. являются некоторыми из свойств поверхности, от которых сильно зависит излучение.

В этом процессе энергия передается через электромагнитные волны, называемые лучистой энергией. Горячие объекты обычно излучают тепловую энергию в более прохладное окружение. Лучистая энергия способна перемещаться в вакууме от источника к более холодным местам. Лучшим примером излучения является солнечная энергия, которую мы получаем от солнца, даже несмотря на то, что оно находится далеко от нас.

Ключевые различия между проводимостью, конвекцией и излучением

Существенные различия между проводимостью, конвекцией и излучением объясняются следующим образом:

  1. Теплопроводность — это процесс, при котором тепло передается между частями континуума посредством прямого физического контакта. Конвекция – это принцип, при котором тепло передается потоками в жидкости, то есть в жидкости или газе. Излучение – это механизм теплопередачи, при котором переход происходит посредством электромагнитных волн.
  2. Теплопроводность показывает, как тепло передается между объектами, находящимися в непосредственном контакте, а Конвекция отражает, как тепло распространяется через жидкости и газы. В отличие от этого, излучение показывает, как тепло проходит через места, где нет молекул.
  3. Теплопроводность происходит в результате разницы температур, т.е. тепловые потоки из области с высокой температурой в область с низкой температурой. Конвекция происходит из-за изменения плотности, так что тепло перемещается из области с низкой плотностью в область с высокой плотностью. Наоборот, все объекты выделяют тепло, имея температуру более 0 К.
  4. Проводимость обычно происходит в твердых телах за счет столкновения молекул. Конвекция происходит в жидкостях за счет массового движения молекул в одном направлении. Напротив, Излучение происходит через космический вакуум и не нагревает промежуточную среду.
  5. Передача тепла осуществляется через нагретое твердое вещество при теплопроводности, тогда как при конвекции тепловая энергия передается через промежуточную среду. В отличие от рациона, для передачи тепла используются электромагнитные волны.
  6. Скорость теплопроводности и конвекции меньше скорости излучения.
  7. Проводимость и конвекция не следуют закону отражения и преломления, тогда как излучение подчиняется тому же закону.

Заключение

Термодинамика изучает теплоперенос и связанные с ним изменения. Теплопроводность есть не что иное, как передача тепла от более горячей части к более холодной. Конвекция – это передача тепла за счет движения жидкости вверх и вниз. Излучение возникает, когда тепло проходит через пустое пространство.

7 Важная разница между проводимостью, конвекцией и излучением

В чем разница между проводимостью, конвекцией и излучением?

Теплопередача — это изменение энергии между двумя телами из-за разных температур. Это происходит в форме теплопроводности, конвекции и излучения, что приводит к тепловому балансу.

В уроке представлены основные различия между теплопроводностью, конвекцией и излучением в табличной форме. Мы также подчеркнули сходство между проводимостью, конвекцией и излучением.

Что такое проводимость?

Теплопроводность – это передача тепла посредством прямого контакта вещества из-за температурного градиента. Способ теплопередачи довольно распространен в твердых телах и незначителен в жидкостях.

Самое удивительное, что теплопередача в результате теплопроводности проходит через среду без переноса массы.

Теплопередача идет от одной частицы к другой, в то время как вещество остается бездействующим. Режим теплообмена происходит в однородных непроводящих твердых телах.

Примеры ситуации с проводимостью:

  1. Прикоснуться к плите и обжечься
  2. Лед для охлаждения рук
  3. Вскипятить воду, вставив в нее раскаленный кусок железа

Что такое конвекция?

Конвекция — это способ передачи тепла, при котором молекулы перемещаются из теплой области в более холодную. Режим теплопередачи довольно распространен в жидкостях.

Способы передачи тепла происходят естественным образом или даже могут быть принудительными. Естественная конвекция управляется гравитацией.

Примеры ситуаций с конвекцией:

  1. Подъем, охлаждение и опускание горячего воздуха (конвекционные потоки)
  2. Старомодный радиатор (создает конвекционную ячейку в помещении, выпуская теплый воздух вверху и втягивая холодный воздух внизу).

Что такое радиация?

Излучение — это способ передачи тепла, происходящий посредством электромагнитных волн без участия какой-либо среды.

Самое замечательное, что тепло не горит и не требует физического контакта с потоком частиц для передачи.

Однако способ передачи тепла подчиняется закону отражения и закону преломления. Обычно это происходит из-за небольшого повышения температуры. Это происходит во всех состояниях вещества.

Примеры ситуаций с излучением:

  1. Солнечное тепло, согревающее лицо
  2. Тепло от лампочки
  3. Тепло от костра
  4. Тепло от всего, что теплее, чем его окружение.

Сравнительная таблица: проводимость, конвекция и излучение
Проводка Конвекция Радиация
Теплопередача происходит при прямом контакте объектов Теплопередача происходит внутри жидкости Теплопередача происходит посредством электромагнитных волн без участия частиц
Теплопередача происходит за счет изменения температуры Теплопередача происходит из-за изменения плотности Теплопередача происходит во всех состояниях вещества, поскольку температура выше 0 К
Медленная передача тепла Быстрая передача тепла Самая быстрая передача тепла
Возникают при нагревании твердых тел Происходит через жидкости, такие как газы и жидкости Происходит через электромагнитную волну
Не подчиняйтесь закону отражения и преломления. Не следуйте закону отражения и преломления. Соблюдайте закон отражения и преломления.
Показывает, как тепло распространяется между объектами при прямом контакте Представьте, как тепло проходит через жидкости Представьте поток тепла через пустое пространство
Возникают в твердых телах в результате молекулярного столкновения Возникают в жидкостях из-за фактического потока материи Возникают на расстоянии без промежуточного вещества.

Основные различия Теплопроводность, конвекция и излучение
  1. Теплопроводность — это передача тепла в твердых телах посредством прямого контакта, тогда как конвекция — это передача тепла внутри жидкостей, а излучение — это передача тепла посредством электромагнитных волн.
  2. Проводимость происходит в твердых телах, тогда как конвекция — в жидкостях, а излучение — во всех состояниях вещества.
  3. Проводимость медленнее, конвекция быстрее, а излучение быстрее всего
  4. Излучение подчиняется закону отражения и преломления, тогда как теплопроводность и конвекция этому закону не подчиняются.
  5. Кондуктивный теплообмен происходит из-за разности температур, конвекция – из-за разницы в плотности, а излучение – из-за температуры выше 0 К.
  6. Проводимость происходит в твердых телах из-за столкновения молекул, тогда как конвекция в жидкостях из-за потока молекул и излучения происходит в пустом пространстве без нагрева промежуточной среды.

Сходства между теплопроводностью, конвекцией и излучением
  1. Оба способа передачи тепла
  2. Оба возникают из-за разницы температур
  3. Оба происходят на Земле

Вам также могут понравиться:

  • Разница между ковалентной и ионной связью
  • Разница между Sigma Bond и Pi Bond
  • Разница между фарфором и керамикой
  • Разница между эфиром и эфиром

Сравнительное видео