Б.Б. Потапов основы тепломассообмена
конспект лекций для студентов специальности
промышленная теплоэнергетика
и техническая теплофизика
ДНЕПРОПЕТРОВСК
2006
Р а з д е л 1. Введение в теорию теплообмена
Способы и механизмы переноса теплоты.
Наблюдения процесса распространение теплоты показало, что теплообмен сложное явление, которое можно представить тремя простейшими коренным образом отличающимися друг от друга способами – теплопроводностью, конвективным переносом (конвекцией) и излучением.
перенос теплоты теплопроводностью
Явление теплопроводности состоит в переносе теплоты структурными частицами вещества (молекулами, атомами, электронами) в процессе их теплового движения. Механизм переноса зависит от агрегатного состояния вещества.
Молекулы газа обладают кинетической энергией поступательного и вращательного движений. Средняя кинетическая энергия одной молекулы прямо пропорциональна ее абсолютной температуре. Передача теплоты теплопроводностью в газах обусловлена переносом кинетической энергии при молекулярном движении, в результате чего температура в неравномерно нагретом газе постепенно выравнивается. С повышением температуры увеличивается кинетическая энергия, длина свободного пробега и скорость движения молекул. При столкновении “горячих” молекул с менее нагретыми элементарными частицами кинетическая энергия передается от первых ко вторым, в результате чего холодные молекулы начинают двигаться быстрее, что равносильно их нагреву.
Силы взаимодействия молекул в жидкостях проявляются сильнее, чем в газах. Однако молекулы жидкости, как и в газах, совершают беспорядочные колебания вокруг хаотически перемещающегося центра равновесия. Если температура молекул будет повышаться, то увеличится и амплитуда их колебаний. Эти упругие колебания будут передаваться смежным молекулам, таким образом, вся энергия будет передаваться от слоя к слою за счет упругих колебаний.
В твердых телах также перенос теплоты осуществляется посредством упругих колебаний. Исключение составляют металлы, в которых передача теплоты осуществляется за счет свободных электронов, поток которых можно уподобить идеальному одноатомному газу.
Итак, механизм передачи теплоты теплопроводностью в газах, жидкостях и твердых телах различен, в силу чего эти вещества, нагретые до одинаковой температуры, будут передавать теплоту с разными скоростями.
Перенос теплоты конвекцией
Под конвекцией понимают перенос макро объемов жидкости или газов в неподвижной или движущейся среде. Объемы жидкости или газа из области с большей температурой перемещаются в область с меньшей температурой и переносят с собой теплоту. Конвекция возможна в телах, макрообъемы которых могут перемещаться относительно друг друга.
Беспорядочное движение молекул в теле, обусловленное теплопроводностью, имеет место наряду конвективным переносом теплоты. Таким образом, конвективный перенос сопровождается теплопроводностью. Совместный перенос тепла конвекцией и теплопроводностью называют конвективным теплообменом.
При прочих равных условиях конвективный теплообмен намного интенсивнее, чем перенос теплоты теплопроводностью, так как порции энергии переносимые макро объемами больше энергии переносимой отдельными молекулами.