1)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.

Теплопроводность – процесс передачи энергии за счет непосредственного взаимодействия микрочастиц вещества.

Механизм распространения тепла теплопроводностью зависит от физических свойств тела. В газах и жидкостях он происходит путем соударения частиц между собой, а также посредством диффузии молекул и атомов. В металлах теплопроводность осуществляется в результате диффузии свободных электронов и частично – упругих колебаний кристаллической решетки. В твердых телах – диэлектриках, в основном, за счет упругих колебаний кристаллической решетки.

2) Уравнение состояния термодинамической системы представляет собой аналитическую формулу, связывающую параметры состояния системы. Если состояние системы может быть полностью описано с помощью трех параметров: давления P, объема V и температуры T, то уравнение состояния в самом общем виде будет иметь форму: F(P,V,T)=0    

Уравнение состояния идеального газа (иногда уравнение Клапейрона или уравнение Клапейрона — Менделеева) — формула, устанавливающая зависимость между давлением, молярным объёмом и абсолютной температурой идеального газа. Уравнение имеет вид:

где

p — давление,V_M — молярный объём,R — универсальная газовая постоянная, T — абсолютная температура,К.

Так как  , где   — количество вещества, а  , где m— масса, M — молярная масса, уравнение состояния можно записать:

Эта форма записи носит имя уравнения (закона) Менделеева — Клапейрона.В случае постоянной массы газа уравнение можно записать в виде:

Последнее уравнение называют объединённым газовым законом. Из него получаются законы Бойля — Мариотта, Шарля и Гей-Люссака:

 — закон Бойля — Мариотта.

 — Закон Гей-Люссака.

 — закон Шарля (второй закон Гей-Люссака, 1808 г.)

3) Основным законом передачи тепла теплопроводностью является закон Фурье.

Количество теплоты, проходящее через изотермическую поверхность площадью за время , пропорционально температурному градиенту. Знак минус в формуле показывает, что теплота и градиент направлены в разные стороны. - коэффициент теплопроводности. Закон Фурье применим для описания теплопроводности газов, жидкостей и твердых тел.

4) Термодинамический процесс - всякое изменение, происходящее в термодинамической системе и связанное с изменением хотя бы одного ее параметра состояния.

Можно выделить несколько простых, но широко распространённых на практике, тепловых процессов:

-Адиабатный процесс — происходящий без теплообмена с окружающей средой;

-Изохорный процесс — происходящий при постоянном объёме;

-Изобарный процесс — происходящий при постоянном давлении;

-Изотермический процесс — происходящий при постоянной температуре;

-Изоэнтропийный процесс — происходящий при постоянной энтропии;

-Изоэнтальпийный процесс — происходящий при постоянной энтальпии;

-Политропный процесс — происходящий при постоянной теплоёмкости;

Термодинамические процессы удобно изобразить в виде кривых на графике с координатами V-P, V-T, P-V.

Тепловые процессы можно разделить на равновесные и неравновесные; на обратимые и необратимые.

5 ) Коэффициент теплопроводности является физическим параметром вещества и в общем случае зависит от температуры, давления и рода вещества. Коэффициент теплопроводности - количество теплоты, которое проходит в единицу времени через единицу поверхности через единичную толщину стенки при перепаде температуры в один градус, . Является теплофизической характеристикой материала.

Коэффициент теплопроводности газов: где - средняя скорость перемещения молекул газа; - средняя длина свободного пробега молекул газа между соударениями; - теплоёмкость газа при постоянном объёме; - плотность газа.

Коэффициент теплопроводности жидкостей: , где - теплоёмкость жидкости при постоянном давлении; - плотность жидкости; μ - молекулярная масса.

6) Внутренняя энергия системы – это энергия системы, которая однозначно определяется ее термодинамическим состоянием. Внутренняя энергия системы включает в себя энергию хаотического движения всех микрочастиц системы и потенциальную энергию их взаимодействия. Во внутреннюю энергию системы не входит кинетическая энергия движения системы как целого и ее потенциальная энергия во внешнем силовом поле.

7 ) Теплопроводность плоской стенки: Однородная плоская стенка (Рис.9.2.).

Температуры поверхностей стенки –t_ст1 и t_ст2. Плотность теплового потока:

q = -λ∙ ∂t/∂n = - λ∙ ∂t/∂x = - λ∙ (t_cт2 - t_cт1)/(x_cт2 - x_cт1)∙  или  q = λ∙ (t_cт2 - t_cт1)/(x_cт2 - x_cт1)∙ Dt/Dx (9.13)

Тогда q = λ/δ∙(t_ст1 – t_ст2) = λ/δ∙Δt, (9.14)

Если R =δ/λ -термическое сопротивление теплопроводности стенки [(м²∙К)/Вт], то плотность теплового потока: q = (t_ст1 – t_ст2)/R . (9.15)

Общее количество теплоты, которое передается через поверхность F за время τ определяется: Q = q∙F∙τ = (t_ст1 – t_ст2)/R·F∙τ . (9.16)

Температура тела в точке с координатой х находится по формуле: t_x = t_ст1 – (t_ст1 – t_ст2)∙x/ δ . (9.17)

Изменение внутренней энергии при переходе системы из состояния 1 в состояние 2 не зависит от вида процесса и равно . внутренняя энергия системы зависит только от температуры .

8) Теплоотдача при обтекании плоской поверхности (пластины)

Обобщенное уравнение (8.11) действительно для любых случаев конвективного теплообмена. В частном случае при вынужденном движении жидкости вдоль гладкой плиты обобщенное уравнение принимает вид:

Здесь определяющими величинами являются скорость потока w₀, температура избегающего потока t_ж, длина плиты l.

Число Gr из этого уравнения исключено, так как при вынужденном движении жидкости свободная конвекция

отсутствует или она настолько незначительна, что не оказывает заметного влияния на теплоотдачу.

При ламинарном течении (Re_l,ж <5·10⁵) расчетное уравнение принимает вид:

Отношением (Pr_ж/Pr_с)^0,25 учитывается температурный напор (t_с – t_ж). Чем меньше этот напор, тем больше

(Pr_ж/Pr_с)^0,25 приближается к единице. Когда омывающей жидкостью является газ, то из расчетного уравнения

исключается отношение чисел Pr в степени 0,25, поскольку число Pr для газов от температуры почти не зависит.

Для воздуха Pr = 0,7 и расчетные уравнения для этого газа следующие:

при ламинарном течении:

при турбулентном течении:

В уравнениях (8.13 – 8.16) температура стенки принимается неизменной (t_c = const).

9)Теплоемкостью называют количество теплоты, которое необходимо сооб­щить телу (газу), чтобы повысить тем­пературу какой-либо количественной единицы на 1° С. Для определения значений перечис­ленных выше тепло­емкостей доста­точно знать величину одной какой-либо - из них.

Массовая теплоемкость

а объемная теплоемкость:

Объемная и массовая теплоемкости связаны между собой зависимостью: ,где - плотность газа при нормальных условиях.

Теплоемкость газа зависит от его температуры. По этому признаку различают среднюю и истинную теплоёмкость.

Истинная теплоемкость: , где Z - какой-то процесс. . При изохорном процессе Z=V , следовательно, получаем изохорную теплоёмкость - . При изобарном процессе Z=P, следовательно, получаем изобарную теплоёмкость .

Объёмная теплоёмкость:

Молярная теплоёмкость :

Средняя теплоёмкость .

10) Теплоотдача при движении жидкости в трубе.

Обобщенные уравнения для среднего значения коэффициента теплоотдачи при вынужденном движении жидкости по трубам имеют вид:

а) при ламинарном течении (Re_d,ж < 2·10³)

(8.17)

б) при турбулентном течении (Re_{d,ж >} 10⁴):

(8.18)

В уравнениях (8.17) и (8.18) определяющим размером является внутренний диаметр трубы. Эти уравнения применимы и к процессам протекания жидкости по прямым трубам не только круглого, но и квадратного, прямоугольного, треугольного сечений и к пучкам труб.

Если труба выполнена в виде змеевика, то вследствие центробежных сил, действующих на частицы движущейся жидкости, условия перемешивания жидкости улучшаются и, следовательно, коэффициент теплоотдачи увеличивается. Это учитывается поправкой

ε_R = 1+1,77d / R,

где d – диаметр трубы; R – радиус змеевика.

Таким образом, коэффициент теплоотдачи в змеевике равен

α_R =ε_Ra.

Коэффициент теплоотдачи увеличивается и в тех случаях, когда теплоотдача рассчитывается для коротких труб.

В таких трубах на среднее значение коэффициента б оказывают заметное влияние улучшенные условия теплоотдачи в начальном участке трубы, где происходит формирование потока жидкости. Это влияние тем сильнее, чем короче труба.

11) При адиабатическом процессе показатель адиабаты равен  .

Для нерелятивистского невырожденного одноатомного идеального газа  , для двухатомного  , для трёхатомного  , для газов, состоящих из более сложных молекул, показатель адиабаты   определяется числомстепеней свободы (i) конкретной молекулы, исходя из соотношения  .Для реальных газов показатель адиабаты отличается от показателя адиабаты для идеальных газов, особенно для низких температур, когда большую роль начинает играть межмолекулярное взаимодействие. Для его теоретического нахождения следует проводить расчёт без некоторых допущений, в частности, использованных при выводе формулы (1) и использовать формулу (1а).

Один из методов для экспериментального определения показателя был предложен в 1819 г. Клеманом и Дезормом. Стеклянный баллон вместимостью несколько литров наполняется исследуемым газом при давлении P₁. Затем открывается кран, газ адиабатически расширяется, и давление падает до атмосферного — P₀. Затем происходит егоизохорное нагревание до температуры окружающей среды. Давление повышается до P₂. В результате такого эксперимента k можно вычислить как

Для любого идеального газа справедливо соотношение Майера:

, где   — универсальная газовая постоянная,   — молярная теплоёмкость при постоянном давлении,   — молярная теплоёмкость при постоянном объёме.

Уравнение Майера вытекает из первого начала термодинамики, примененного к изобарическому процессу в идеальном газе:

, в рассматриваемом случае: .

Очевидно, уравнение Майера показывает, что различие теплоёмкостей газа равно работе, совершаемой одним молем идеального газа при изменении его температуры на 1 K, и разъясняет смысл универсальной газовой постоянной R — механический эквивалент теплоты.