Теплопередача. Теплопроводность. Общие понятия. Основные законы.

Теплопроводностью называется перенос теплоты (или внутренней энергии) при непосредственном соприкосновении тел (или частей одного тела) с различной температурой.

Теплопроводность различных веществ различнаТела и вещества, медленно передающие теплоту, называются теплоизоляторами. Тела и вещества, быстро передающие теплоту, называются теплопроводниками.

Температурное поле - совокупность значений температур во всех точках рассматриваемого пространства в данный момент времени.

Физический смысл градиента температуры - это максимальная скорость нарастания температуры по расстоянию. Измеряется градиент температуры в градусах на метр. Конвекция - это процесс теплопередачи, осуществляемый путем переноса энергии потоками жидкости или газа.
Явление конвекции можно объяснить законом Архимеда и явлением теплового расширения тел. При повышении температуры объем жидкости возрастает, а плотность уменьшается. Под действием архимедовых сил менее плотная нагретая жидкость поднимается вверх, а более плотная холодная жидкость опускается вниз. Если же жидкость нагревать сверху, то менее плотная теплая жидкость там и останется и конвекция не возникнет.

Теплоотдача конвекцией зависит от большого числа различных факторов:
- характера конвекции - конвекции свободной, происходящей под действием внутренних сил, возникающих вследствие разности плотностей нагретых и холодных частиц, или вынужденной, происходящей под действием внешних сил - ветра, насоса, вентилятора;
- режима течения жидкости - течения при малых скоростях параллельно-струйчатого характера без перемешивания (ламинарный режим) или течения при больших скоростях (течение неупорядоченное, вихревое), когда в теплоносителе наблюдаются вихри, перемещающие жидкость не только в направлении движения, но и в поперечном направлении (турбулентный режим); - скорости движения теплоносителя;
- направления теплового потока (нагревание или охлаждение);
- физических свойств теплоносителя - коэффициента теплопроводности, теплоемкости, плотности, вязкости, температурного напора, зависящего от разности температур теплоносителя и поверхности стенок;
- площади поверхности стенки F, омываемой теплоносителем;
- формы стенки, ее размеров и других факторов.

Расчет процесса конвективного теплообмена производят на основе закона Ньютона, который выражается формулой

где W - количество переданной теплоты, Дж;
α - коэффициент пропорциональности, называемый коэффициентом теплоотдачи, Вт/(м²·К);
F - площадь поверхности теплообмена, м²;
t и t_c - температуры соответственно жидкости и стенки, К;
t - время, с.
Коэффициент теплоотдачи α показывает, какое количество теплоты передается от жидкости (греющего тела) к стенке или наоборот в единицу времени через единицу поверхности при разности температур между поверхностью стенки и жидкостью в 1 К.

Интегральный лучистый поток, излучаемый единицей поверхности по всем направлениям, называется излучательной способностью тела и обозначается Е = dQ / dF, [вт/м2]
где dQ - элементарный лучистый поток, испускаемый элементом поверхности dF.

Каждое тело способно не только излучать, но и отражать, поглощать и пропускать через себя падающие лучи от другого тела. Если обозначить общее количество лучистой энергии, падающей на тело, через Q, то часть энергии, равная А, поглотится телом, часть, равная R, отразится, а часть, равная D, пройдет сквозь тело. Отсюда
Q = QA + QR + QD, (2)
Или
A + R + D = 1. (3)
Величину А называют коэффициентом поглощения. Он представляет собой отношение поглощенной лучистой энергии ко всей лучистой энергии, падающей на тело.
Величину R называют коэффициентом отражения. R есть отношение отраженной лучистой энергии ко всей падающей.

Величину D называют коэффициентом проницаемости. D есть отношение прошедшей сквозь тело лучистой энергии ко всей лучистой энергии, падающей на тело. Для большинства твердых тел, практически не пропускающих сквозь себя лучистую энергию, А + R = 1.
Если поверхность поглощает все падающие на нее лучи, т. е. А = 1, R = 0 и D = 0, то такую поверхность называют абсолютно черной.
Если поверхность отражает полностью все падающие на нее лучи, то такую поверхность называют абсолютно белой. При этом R = 1, А = О, D = 0.
Если тело абсолютно проницаемо для тепловых лучей, то D = 1, R = 0 и A = 0. В природе абсолютно черных, белых и прозрачных тел не существует, тем не менее понятие о них является очень важным для сравнения с реальными поверхностями.

Существуют также различные виды сложного переноса тепла, которые являются сочетанием элементарных видов. Основные из них:
- теплоотдача (конвективный теплообмен между потоками жидкости или газа и поверхностью твёрдого тела);
- теплопередача (теплообмен от горячей жидкости к холодной через разделяющую их стенку);
конвективно-лучистый перенос тепла (совместный перенос тепла излучением и конвекцией).

Коли́ чество теплоты́ — мера энергии, переходящей от одного тела к другому в данном процессе. Количество теплоты является одной из основных термодинамических величин.
Количество теплоты является функцией процесса, а не функцией состояния, то есть количество теплоты, полученное системой, зависит от способа, которым она была приведена в текущее состояние.

Энергия, переносимая от одной системы к другой только за счет разницы в температурах этих систем, называется количеством теплоты. Принятое обозначение для количества теплоты: Q, [Q] = Дж.

Существуют три способа передачи количества теплоты от одного тела к другому: теплопроводность, конвекция и излучение.
Направление теплообмена определяется разностью температур между телами. Теплота при теплообмене всегда передается от более горячего тела к более холодному.

Рассмотрим систему, состоящую из двух тел A и B. Предположим, что тело B заключено почти полностью в жёсткую адиабатическую оболочку, так что оно не способно совершать макроскопическую работу, а обмениваться теплом (то есть энергией) посредством микроскопических процессов может лишь с телом A. Предположим, что тело A также заключено в адиабатическую оболочку почти полностью, так что для него возможен теплообмен лишь с B, но не будем предполагать, что оболочка жёсткая. Количеством теплоты, сообщённой телу A в некотором процессе, будем называть величину
QA = − Δ UB, где Δ UB — изменение внутренней энергии тела B.

Согласно закону сохранения энергии,
Δ A = Δ UA + Δ UB
где Δ A — макроскопическая работа внешних сил над телом A. Если учесть, что
Δ A = − A_int
где A_int — работа, совершённая телом A, то закону сохранения энергии можно придать форму первого начала термодинамики:
Δ QA = Δ UA + A_int

Из первого начала термодинамики (Количество теплоты, полученное системой, идёт на изменение её внутренней энергии и совершение работы против внешних сил) следует корректность введённого определения количества теплоты, то есть независимость соответствующей величины от выбора пробного тела B и способа теплообмена между телами.