Способи перенесення теплоти.

Теорія теплообміну – це наука про процеси передачі теплоти. З теплообміном пов’язано багато технологічних процесів та природних явищ.

Перенесення теплоти від одного тіла до іншого, а також між частинками цього тіла відбувається лише за наявності різниці температур і спрямоване завжди в сторону більш низької температури.

Теплообмін – це складний процес, який поділяють на ряд складових. Розрізняють три принципово відмінних процесу теплообміну: теплопровідність, конвекція та теплове випромінювання.

Теплопровідність – відбувається при безпосередньому контакті частинок речовини (молекул, атомів і вільних електронів) і супроводжується обміном енергії. Такий процес теплообміну відбувається в твердих тілах і в тонких шарах рідин та газів. Механізм перенесення теплоти залежить від агрегатного стану тіла.

Теплопровідність газів. Для більшості газів, що знаходяться при умовах близьких до нормальних можна застосувати модель ідеального газу. Передача теплоти за допомогою теплопровідності є одним з явищ перенесення кінетичної енергії молекул за допомогою їх хаотичного руху та співударяння між собою. Таким чином в результаті молекулярного руху відбувається поступове вирівнювання температури в нерівномірно нагрітому газі. З підвищенням температури теплопровідність газів зростає. Від тиску теплопровідність газів практично не залежить. Швидкість руху молекул водяної пари приблизно 650 м/с.

Теплопровідність рідин. На відміну від газів на хаотичний рух молекули рідини накладаються епізодичні коливання молекули навколо тимчасового положення рівноваги. Тому, в рідинах спосіб передачі теплоти подвійний: за рахунок співударяння молекул та за рахунок широко амплітудних коливань молекул в тимчасовому каркасі кластера. Швидкість руху молекул води приблизно 30 м/с. З підвищенням температури теплопровідність більшості рідин знижується. Виключенням з цього правила є лише вода і гліцерин.

Теплопровідність твердих тіл. В твердих тілах є два способи передачі теплоти: за рахунок коливань атомів в кристалічній решітці та за рахунок руху вільних електронів. Передача теплоти за рахунок пружних коливань атомів незначна порівняно з перенесенням теплоти вільними електронами. Залежно від впливу того чи іншого фактора тверді тіла мають різну теплопровідність. Найбільш теплопровідними тілами є метали (срібло, мідь, алюміній). Головну роль в перенесенні теплоти в металах відіграють вільні електрони. Швидкість електронів в металах порядку 110 км/с. Тому, чим кращою є електропровідність металу тим краще він проводить тепло.

В неметалах кількість вільних електронів мала, тому теплопровідність їх обумовлюється майже виключно коливаннями атомів в кристалічних решітках. Тіла з малою теплопровідністю називають тепло ізоляторами. Як правило це щілясті тіла виготовлені з високомолекулярних органічних сполук (пінопласт, мінеральна вата). Особливістю щілястих тіл є залежність їх теплопровідності від вологості. Наприклад, теплопровідність вологої цегли втричі більша ніж сухої.

Конвекція – відбувається лише в рідинах і газах і є перенесенням теплоти у результаті переміщення і перемішування макроскопічних об’ємів рідини чи газу. Конвекція завжди супроводжується теплопровідністю.

Якщо перемішування частинок рідини або газу обумовлюється різницею їх густин то таке перемішування називають вільною конвекцією. При вільній конвекції нагріті об’єми теплоносія підіймаються вгору, охолоджені – опускаються вниз. Наприклад біля нагрітої поверхні опалювального приладу повітря нагрівається, розширяється, його густина стає меншою і воно підіймається вгору. На його місце надходить прохолодне повітря з приміщення і процес повторюється.

Якщо рідина або газ переміщується за допомогою вентилятора, чи насоса то таке переміщення називають вимушеною конвекцією. У цьому випадку теплообмін відбувається значно інтенсивніше ніж при вільній конвекції.

Теплове випромінювання – це процес перенесення теплоти від одного тіла до іншого електромагнітними хвилями, що виникають у результаті складних процесів всередині атомів та молекул. Головним джерелом теплового випромінювання є теплова енергія. Електромагнітні хвилі розповсюджуються від поверхні тіла у всі сторони. Якщо на їх шляху зустрічається інше тіло, то променева енергія може ним частково поглинатися і знову перетворюватися в теплоту. Крім того, частина електромагнітних хвиль може відбиватися від тіла, а частина проходити крізь нього.