Излучение

Для переноса теплоты излучением не требуется материя в виде вещества. По современным представлениям тепловое излучение в одних случаях проявляет себя как волновой процесс, в других как поток квантов или фотонов, летящих со скоростью света. Испускание фотонов, энергия которого равна разности энергий возбужденного и равновесного состояний, зависит от температуры. Энергия фотонов, испускаемая поверхностью тела, называется тепловым излучением.

2. . Основные понятия и определения

Интенсивность переноса теплоты можно характеризовать тепловым потоком и его плотностью, а температурное состояние системы – температурным полем.

Обозначим через Q­^* (Дж) количество теплоты, передаваемое через поверхность F (м²) за время 

Количество теплоты, передаваемое в единицу времени через произвольную поверхность оценивается тепловым потоком Q (Дж/с) =(Вт).

Количество теплоты, передаваемое в единицу времени через 1 м² поверхности тела называют плотностью теплового потока или тепловой нагрузкой:

.

Тепловые потоки возникают в телах или между телами только при наличии разности температур.

под температурным полем понимают совокупность значений температур во всех точках изучаемого пространства. Под стационарным температурным полем понимают случай, когда температуры могут быть различны в различных точках тела, но неизменны во времени.

Температурное поле в зависимости от числа координат может быть трехмерным , двухмерным и одномерным .

Если соединить точки тела с одинаковыми температурами, то возникнут изотермические поверхности. Пересечение плоскостью изотермической поверхности даст на этой плоскости множество изотерм, изотермические линии не пересекаются.

Рис. 1.1. Распределение температур в теле

Они располагаются либо внутри тела, либо заканчиваются на его поверхности. Изменение температур наблюдается только в направлениях пересекающих изотермические поверхности или линии, причем наиболее резкое изменение температуры наблюдается в направлении к нормали к изолинии.

Предел изменения температуры t к расстоянию между изотермами  называют градиентом температуры:

.

Градиент - векторная величина, направленная в сторону возрастания температур. Тепловой поток направлен противоположно градиенту температур.

1.3 Основные законы переноса теплоты. Теплопроводность

Опытами установлено, что количество теплоты, передаваемое в плоской твердой стенке пропорционально разности температур поверхности горячей t_c1 и холодной t_c2 стенки, площади стенки F, времени и обратно пропорционально толщине стенки .



-коэффициент пропорциональности называемый коэффициентом теплопроводности.

Физический смысл коэффициента теплопроводности легко понять из выражения:

Рис. 1.2. Теплопроводность в плоской однослойной стенке

Коэффициент теплопроводности показывает, какое количество теплоты проходит через один квадратный метр поверхности стенки толщиной один метр за одну секунду при разности температур на этих поверхностях в один градус.

Согласно определению, плотность теплового потока в пластине равна:

(Вт/м²).

В общем виде, закон теплопроводности Фурье имеет вид:

.

Разрешив выражение для плотности теплового потока относительно разности температур, получим

.

Отношение называют термическим сопротивлением теплопроводности.

Как показано выше, для каждого отдельного слоя многослойной стенки справедливо соотношение:

;

;

.

Просуммировав левые и правые части приведенной системы уравнений, получим

или _.

Рис. 1.3. Распределение температур в многослойной стенке

Из полученного выражения следует, что термическое сопротивление трехслойной стенки равно сумме сопротивлений отдельных слоев. Тогда плотность теплового потока через стенку из n слоев определяется выражением:

.

Конвективный теплообмен. Теплоотдача.

Встречается два вида конвективного теплообмена - конвективный теплообмен в объеме жидкости или газа и конвективный теплообмен между движущейся средой и поверхностью твердого или жидкого тела.

Конвективный теплообмен между движущейся средой и поверхностью тела называется теплоотдачей.

Определим плотность теплового потока конвекцией от жидкости с температурой t_ж к стенке с температурой t_с. Опытами установлено, что температура греющей жидкости резко уменьшается в тонком слое у стенки, называемом тепловым пограничным слоем.

Для расчета теплового потока необходимо знать распределение температур в пограничном слое

.

Определить это распределение как теоретически, так и экспериментально сложно, поэтому Ньютоном предложено удельный тепловой поток определять по формуле:

,

где  - коэффициент пропорциональности названный коэффициентом теплоотдачи. Физический смысл коэффициента теплоотдачи легко установить из соотношения:

.

Коэффициент теплоотдачи характеризует интенсивность процесса переноса теплоты и показывает количеству теплоты отдаваемой жидкостью одному квадратному метру стенки за одну секунду при разности их температур в один градус.