Три основных вида передачи тепла

Существуют три основных вида теплопередачи: теплопроводность, конвекция и

лучистый теплообмен.

Теплопроводность. Если внутри тела имеется разность температур, то

тепловая энергия переходит от более горячей его части к более холодной. Такой

вид теплопередачи, обусловленный тепловыми движениями и столкновениями молекул,

называется теплопроводностью; при достаточно высоких температурах в твердых

телах его можно наблюдать визуально. Так, при нагревании стального стержня с

одного конца в пламени газовой горелки тепловая энергия передается по стержню,

и на некоторое расстояние от нагреваемого конца распространяется свечение (с

удалением от места нагрева все менее интенсивное).

Интенсивность теплопередачи за счет теплопроводности зависит от градиента

температуры, т.е. отношения D Т /D x разности температур на концах

стержня к расстоянию между ними. Она зависит также от площади поперечного

сечения стержня (в м²) и коэффициента теплопроводности материала [в

соответствующих единицах Вт/(мDК)]. Соотношение между этими величинами было

выведено французским математиком Ж.Фурье и имеет следующий вид:

где q – тепловой поток, k – коэффициент теплопроводности, а
A – площадь поперечного сечения. Это соотношение называется законом

теплопроводности Фурье; знак «минус» в нем указывает на то, что теплота

передается в направлении, обратном градиенту температуры.

Из закона Фурье следует, что тепловой поток можно понизить, уменьшив одну из

величин – коэффициент теплопроводности, площадь или градиент температуры. Для

здания в зимних условиях последние величины практически постоянны, а поэтому

для поддержания в помещении нужной температуры остается уменьшать

теплопроводность стен, т.е. улучшать их теплоизоляцию.

В таблице представлены коэффициенты теплопроводности некоторых веществ и

материалов. Из таблицы видно, что одни металлы проводят тепло гораздо лучше

других, но все они являются значительно лучшими проводниками тепла, чем

воздух и пористые материалы.

Теплопроводность металлов обусловлена колебаниями кристаллической решетки и

движением большого числа свободных электронов (называемых иногда электронным

газом). Движение электронов ответственно и за электропроводность металлов, а

потому неудивительно, что хорошие проводники тепла (например, серебро или

медь) являются также хорошими проводниками электричества.

Тепловое и электрическое сопротивление многих веществ резко уменьшается при

понижении температуры ниже температуры жидкого гелия (1, 8 K). Это явление,

называемое сверхпроводимостью, используется для повышения эффективности

работы многих устройств – от приборов микроэлектроники до линий

электропередачи и больших электромагнитов.

Конвекция. Как мы уже говорили, при подводе тепла к жидкости или газу

увеличивается интенсивность движения молекул, а вследствие этого повышается

давление. Если жидкость или газ не ограничены в объеме, то они расширяются;

локальная плотность жидкости (газа) становится меньше, и благодаря

выталкивающим (архимедовым) силам нагретая часть среды движется вверх (именно

поэтому теплый воздух в комнате поднимается от батарей к потолку). Данное

явление называется конвекцией. Чтобы не расходовать тепло отопительной системы

впустую, нужно пользоваться современными обогревателями, обеспечивающими

принудительную циркуляцию воздуха.

Конвективный тепловой поток от нагревателя к нагреваемой среде зависит от

начальной скорости движения молекул, плотности, вязкости, теплопроводности и

теплоемкости и среды; очень важны также размер и форма нагревателя.

Соотношение между соответствующими величинами подчиняется закону Ньютона

q = hA (T_W T
-_¥ ),

где q – тепловой поток (измеряемый в ваттах), A – площадь

поверхности источника тепла (в м²), T_W и T

_¥ – температуры источника и его окружения (в кельвинах).

Коэффициент конвективного теплопереноса h зависит от свойств среды,

начальной скорости ее молекул, а также от формы источника тепла, и измеряется в

единицах Вт/(м²хК).

Величина h неодинакова для случаев, когда воздух вокруг нагревателя

неподвижен (свободная конвекция) и когда тот же нагреватель находится в

воздушном потоке (вынужденная конвекция). В простых случаях течения жидкости по

трубе или обтекания плоской поверхности коэффициент h можно рассчитать

теоретически. Однако найти аналитическое решение задачи о конвекции для

турбулентного течения среды пока не удается. Турбулентность – это сложное

движение жидкости (газа), хаотичное в масштабах, существенно превышающих

молекулярные.

Если нагретое (или, наоборот, холодное) тело поместить в неподвижную среду

или в поток, то вокруг него образуются конвективные токи и пограничный слой.

Температура, давление и скорость движения молекул в этом слое играют важную

роль при определении коэффициента конвективного теплопереноса.

Конвекцию необходимо учитывать при проектировании теплообменников, систем

кондиционирования воздуха, высокоскоростных летательных аппаратов и многих

других устройств. Во всех подобных системах одновременно с конвекцией имеет

место теплопроводность, причем как между твердыми телами, так и в окружающей

их среде. При повышенных температурах существенную роль может играть и

лучистый теплообмен.

Лучистый теплообмен. Третий вид теплопередачи – лучистый теплообмен –

отличается от теплопроводности и конвекции тем, что теплота в этом случае может

передаваться через вакуум. Сходство же его с другими способами передачи тепла в

том, что он тоже обусловлен разностью температур. Тепловое излучение – это один

из видов электромагнитного излучения. Другие его виды – радиоволновое,

ультрафиолетовое и гамма-излучения – возникают в отсутствие разности

температур.

На рис. 8 представлена зависимость энергии теплового (инфракрасного)

излучения от длины волны. Тепловое излучение может сопровождаться испусканием

видимого света, но его энергия мала по сравнению с энергией излучения

невидимой части спектра.

Интенсивность теплопередачи путем теплопроводности и конвекции

пропорциональна температуре, а лучистый тепловой поток пропорционален

четвертой степени температуры и подчиняется закону Стефана – Больцмана

где, как и ранее, q – тепловой поток (в джоулях в секунду, т.е. в Вт),
A – площадь поверхности излучающего тела (в м²), а T

₁ и T ₂ – температуры (в кельвинах) излучающего тела и

окружения, поглощающего это излучение. Коэффициент s называется

0, 00096)х10 х постоянной Стефана – Больцмана и равен (5, 66961

^–8 Вт/(м² DК⁴).

Представленный закон теплового излучения справедлив лишь для идеального

излучателя – так называемого абсолютно черного тела. Ни одно реальное тело

таковым не является, хотя плоская черная поверхность по своим свойствам

приближается к абсолютно черному телу. Светлые же поверхности излучают

сравнительно слабо. Чтобы учесть отклонение от идеальности многочисленных

«серых» тел, в правую часть выражения, описывающего закон Стефана –

Больцмана, вводят коэффициент, меньший единицы, называемый излучательной

способностью. Для плоской черной поверхности этот коэффициент может достигать

0, 98, а для полированного металлического зеркала не превышает 0, 05.

Соответственно лучепоглощательная способность высока для черного тела и низка

для зеркального.

Жилые и офисные помещения часто обогревают небольшими электрическими

теплоизлучателями; красноватое свечение их спиралей – это видимое тепловое

излучение, близкое к границе инфракрасной части спектра. Помещение же

обогревается теплотой, которую несет в основном невидимая, инфракрасная часть

излучения. В приборах ночного видения применяются источник теплового

излучения и приемник, чувствительный к ИК-излучению, позволяющий видеть в

темноте.

Мощным излучателем тепловой энергии является Солнце; оно нагревает Землю даже на

расстоянии 150 млн. км. Интенсивность солнечного излучения, регистрируемая год

за годом станциями, расположенными во многих точках земного шара, составляет

примерно 1, 37 Вт/м². Солнечная энергия – источник жизни на Земле.

Ведутся поиски способов наиболее эффективного ее использования. Созданы

солнечные батареи, позволяющие обогревать дома и получать электроэнергию для

бытовых нужд.