Способы передачи теплоты

Согласно второму закону термодина­мики самопроизвольный процесс переноса теплоты в пространстве возникает под действием разности температур и направлен в сторону уменьшения тем­пературы.

Закономерности переноса теплоты и количественные характеристики этого процесса являются предметом исследо­вания теории теплообмена (теплопере­дачи).

Теплота может распространяться в любых веществах и даже через вакуум (пустоту). Идеальных теплоизоляторов не существует.

Во всех веществах теплота передает­ся теплопроводностью за счет пе­реноса энергии микрочастицами. Моле­кулы, атомы, электроны и другие микро­частицы, из которых состоит вещество, движутся со скоростями, пропорциональ­ными их температуре. За счет взаимодей­ствия друг с другом быстродвижущиеся микрочастицы отдают свою энергию бо­лее медленным, перенося, таким образом, теплоту из зоны с высокой в зону с более низкой температурой. В теории теплооб­мена, как и в гидромеханике, термином «жидкость» обозначается любая сплош­ная среда, обладающая свойством теку­чести. Подразделение на «капельную жидкость» и «газ» используется только в случае, когда агрегатное состояние вещества играет в рассматриваемом про­цессе существенную роль.

Конвекция. В жидкостях перенос теплоты может осуществляться еще и за счет перемеши­вания. При этом уже не отдельные моле­кулы, а большие, макроскопические объемы горячей жидкости перемещаются в зоны с низкими температурами, а хо­лодная жидкость попадает в зоны с вы­сокими температурами. Перенос теплоты вместе с макроскопическими объемами вещества носит название конвектив­ного теплопереноса, или просто конвекции.

Конвекция возможна только в текучей среде. Под конвекцией теплоты понимают процесс ее переноса при перемещении объемов жидкости или газа (текучей среды) в пространстве из области с одной температурой в область с другой. При этом перенос теплоты неразрыв­но связан с переносом самой среды.

Следует иметь в виду, что одновре­менно с конвекцией всегда сосуществует и теплопроводность, однако конвектив­ный перенос в жидкостях обычно являет­ся определяющим, поскольку он значи­тельно интенсивнее теплопроводности.

Теплопроводность в чистом виде большей частью имеет место лишь в твердых телах.

Конвекция теплоты всегда сопровождается теплопроводностью. Со­вместный процесс переноса теплоты конвекцией и теплопроводностью называется конвективным теплообменом.

В инженерных расчетах часто определяют конвективный теплооб­мен между потоками жидкости или газа и поверхностью твердого тела; этот процесс конвективного теплообмена называют конвективной теплоотдачей или теплоотдачей.

В твердых монолитных телах переме­щение макроскопических объемов отно­сительно друг друга невозможно, поэто­му теплота переносится в них только теплопроводностью. Однако при нагреве, сушке зернистых материалов (песка, зерна и т. д.) очень часто искусственно организуют перемешивание. Процесс теплопереноса при этом резко интенси­фицируется и физически становится по­хожим на конвективный теплоперенос в жидкостях.

Часто приходится рассчитывать теп­лообмен между жидкостью и поверхностью твердого тела. Этот процесс получил специальное название конвективная теплоотдача (теплота отдается от жидкости к поверхности или наоборот).

Третьим способом переноса теплоты является излучение.

Тепловое излучение — процесс распространения теплоты с помощью электромагнитных волн, обусловленный только температу­рой и оптическими свойствами излучающего тела; при этом внутренняя энергия тела (среды) переходит в энергию излучения. Излучением теп­лота передается через все лучепрозрачные среды, в том числе и через вакуум, например в космосе, где это единственно возможный способ получения теплоты от Солнца и потери ее в межзвездное про­странство. Носителями энергии при теп­лообмене излучением являются фотоны, излучаемые и поглощаемые телами, уча­ствующими в теплообмене.

Процесс превра­щения внутренней энергии вещества в энергию излучения, переноса из­лучения и его поглощения веществом называется теплообменом излу­чением. В природе и технике элементарные процессы распространения теплоты — теплопроводность, конвекция и тепловое излучение — очень часто происходят совместно.

В большинстве случаев перенос теп­лоты осуществляется несколькими спосо­бами одновременно, хотя часто одним или даже двумя способами пренебрегают ввиду их относительно небольшого вкла­да в сложный суммарный теплоперенос.