Курсовые работы / Теплопроводность. Теплопроводность жидкостей и газов. Каким образом может осуществляться теплопередача в газах

теплопроводность, конвекция, излучение – FIZI4KA

1. Существуют три вида теплопередачи: теплопроводность, конвекция и излучение.

Теплопроводность можно наблюдать на следующем опыте. Если к металлическому стержню с помощью воска прикрепить несколько гвоздиков (рис. 68), закрепить один конец стержня в штативе, а другой нагревать на спиртовке, то через некоторое время гвоздики начнут отпадать от стержня: сначала отпадет тот гвоздик, который ближе к спиртовке, затем следующий и т.д.

Это происходит потому, что при повышении температуры воск начинает плавиться. Поскольку гвоздики отпадали не одновременно, а постепенно, можно сделать вывод, что температура стержня повышалась постепенно. Следовательно, постепенно увеличивалась и внутренняя энергия стержня, она передавалась от одного его конца к другому.

2. Передачу энергии при теплопроводности можно объяснить с точки зрения внутреннего строения вещества. Молекулы ближнего к спиртовке конца стержня получают от неё энергию, их энергия увеличивается, они начинают более интенсивно колебаться и передают часть своей энергии соседним частицам, заставляя их колебаться быстрее. Те, в свою очередь передают энергию своим соседям, и процесс передачи энергии распространяется по всему стержню. Увеличение кинетической энергии частиц приводит к повышению температуры стержня.

Важно, что при теплопроводности не происходит перемещения вещества, от одного тела к другому или от одной части тела к другой передается энергия.

Процесс передачи энергии от одного тела к другому или от одной части тела к другой благодаря тепловому движению частиц называется теплопроводностью.

3. Разные вещества обладают разной теплопроводностью. Если на дно пробирки, наполненной водой, положить кусочек льда и верхний её конец поместить над пламенем спиртовки, то через некоторое время вода в верхней части пробирки закипит, а лёд при этом не растает. Следовательно, вода, так же как и все жидкости, обладает плохой теплопроводностью.

Ещё более плохой теплопроводностью обладают газы. Возьмём пробирку, в которой нет ничего, кроме воздуха, и расположим её над пламенем спиртовки. Палец, помещённый в пробирку, не почувствует тепла. Следовательно, воздух и другие газы обладает плохой теплопроводностью.

Хорошими проводниками теплоты являются металлы, самыми плохими — сильно разреженные газы. Это объясняется особенностями их строения. Молекулы газов находятся друг от друга на расстояниях, больших, чем молекулы твёрдых тел, и значительно реже сталкиваются. Поэтому и передача энергии от одних молекул к другим в газах происходит не столь интенсивно, как в твёрдых телах. Теплопроводность жидкости занимает промежуточное положение между теплопроводностью газов и твёрдых тел.

4. Как известно, газы и жидкости плохо проводят теплоту. В то же время от батарей парового отопления нагревается воздух. Это происходит благодаря такому виду теплопроводности, как конвекция.

Если на дно колбы с водой аккуратно через трубочку опустить кристаллик марганцево-кислого калия и нагревать колбу снизу так, чтобы пламя касалось её в том месте, где лежит кристаллик, то можно увидеть, как со дна колбы будут подниматься окрашенные струйки воды. Достигнув верхних слоёв воды, эти струйки начнут опускаться.

Объясняется это явление так. Нижний слой воды нагревается от пламени спиртовки. Нагреваясь, вода расширяется, её объём увеличивается, а плотность соответственно уменьшается. На этот слой воды действует архимедова сила, которая выталкивает нагретый слой жидкости вверх. Его место занимает опустившийся вниз холодный слой воды, который, в свою очередь, нагреваясь, перемещается вверх и т.д. Следовательно, энергия в данном случае переносится поднимающимися потоками жидкости (рис. 69).

Подобным образом осуществляется теплопередача и в газах. Если вертушку, сделанную из бумаги, поместить над источником тепла (рис. 70), то вертушка начнёт вращаться. Это происходит потому, что нагретые менее плотные слои воздуха под действием выталкивающей силы поднимаются вверх, а более холодные движутся вниз и занимают их место, что и приводит к вращению вертушки.

Теплопередача, которая осуществляется в этом опыте и в опыте, изображенном на рисунках 69, 70, называется конвекцией.

Конвекция — вид теплопередачи, при котором энергия передаётся слоями жидкости или газа.

Конвекция связана с переносом вещества, поэтому она может осуществляться только в жидкостях и газах; в твёрдых телах конвекция не происходит.

5. Третий вид теплопередачи — излучение. Если поднести руку к спирали электроплитки, включённой в сеть, к горящей электрической лампочке, к нагретому утюгу, к батарее отопления и т.п., то можно явно ощутить тепло.

Если закрепить металлическую коробочку (теплоприёмник), одна сторона которой блестящая, а другая чёрная, в штативе, соединить коробочку с манометром, а затем налить в сосуд, у которого одна поверхность белая, а другая чёрная, кипяток, то, повернув сосуд к чёрной стороне теплоприёмника сначала белой стороной, а затем чёрной, можно заметить, что уровень жидкости в колене манометра, соединённом с теплоприёмником, понизится. При этом он сильнее понизится, когда сосуд обращён к теплоприёмнику чёрной стороной (рис. 71).

Понижение уровня жидкости в манометре происходит потому, что воздух в теплоприёмнике расширяется, это возможно при нагревании воздуха. Следовательно, воздух получает от сосуда с горячей водой энергию, нагревается и расширяется. Поскольку воздух обладает плохой теплопроводностью и конвекция в данном случае не происходит, т.к. плитка и теплоприёмник располагаются на одном уровне, то остаётся признать, что сосуд с горячей водой излучает энергию.

Опыт также показывает, что чёрная поверхность сосуда излучает больше энергии, чем белая. Об этом свидетельствует разный уровень жидкости в колене манометра, соединённом с теплоприёмником.

Чёрная поверхность не только излучает больше энергии, но и больше поглощает. Это можно также доказать экспериментально, если поднести включённую в сеть электроплитку сначала к блестящей стороне тенлоприёмника, а затем к чёрной. Во втором случае жидкость в колене манометра, соединённом с теплоприёмником, опустится ниже, чем в первом.

Таким образом, чёрные тела хорошо поглощают и излучают энергию, а белые или блестящие плохо испускают и плохо поглощают её. Они хорошо энергию отражают. Поэтому понятно, почему летом носят светлую одежду, почему дома на юге предпочитают красить в белый цвет.

Путём излучения энергия передаётся от Солнца к Земле. Поскольку пространство между Солнцем и Землёй представляет собой вакуум (высота атмосферы Земли много меньше расстояния от неё до Солнца), то энергия не может передаваться ни путём конвекции, ни путём теплопроводности. Таким образом, для передачи энергии путём излучения не требуется наличия какой-либо среды, эта теплопередача может осуществляться и в вакууме.

ПРИМЕРЫ ЗАДАНИЙ

Часть 1

1. В твёрдых телах теплопередача может осуществляться путём

1) конвекции2) излучения и конвекции3) теплопроводности4) конвекции и теплопроводности

2. Теплопередача путём конвекции может происходить

1) только в газах2) только в жидкостях3) только в газах и жидкостях4) в газах, жидкостях и твёрдых телах

3. Каким способом можно осуществить теплопередачу между телами, разделёнными безвоздушным пространством?

1) только с помощью теплопроводности2) только с помощью конвекции3) только с помощью излучения4) всеми тремя способами

4. Благодаря каким видам теплопередачи в ясный летний день нагревается вода в водоёмах?

1) только теплопроводность2) только конвекция3) излучение и теплопроводность4) конвекция и теплопроводность

5. Какой вид теплопередачи не сопровождается переносом вещества?

1) только теплопроводность2) только конвекция3) только излучение4) только теплопроводность и излучение

6. Какой(-ие) из видов теплопередачи сопровождается(-ются) переносом вещества?

1) только теплопроводность2) конвекция и теплопроводность3) излучение и теплопроводность4) только конвекция

7. В таблице приведены значения коэффициента, который характеризует скорость процесса теплопроводности вещества, для некоторых строительных материалов.

В условиях холодной зимы наименьшего дополнительного утепления при равной толщине стен требует дом из

1) газобетона2) железобетона3) силикатного кирпича4) дерева

8. Стоящие на столе металлическую и пластмассовую кружки одинаковой вместимости одновременно заполнили горячей водой одинаковой температуры. В какой кружке быстрее остынет вода?

1) в металлической2) в пластмассовой3) одновременно4) скорость остывания воды зависит от её температуры

9. Открытый сосуд заполнен водой. На каком рисунке правильно изображено направление конвекционных потоков при приведённой схеме нагревания?

10. Воду равной массы нагрели до одинаковой температуры и налили в две кастрюли, которые закрыли крышками и поставили в холодное место. Кастрюли совершенно одинаковы, кроме цвета внешней поверхности: одна из них чёрная, другая блестящая. Что произойдёт с температурой воды в кастрюлях через некоторое время, пока вода не остыла окончательно?

1) Температура воды не изменится ни в той, ни в другой кастрюле.2) Температура воды понизится и в той, и в другой кастрюле на одно и то же число градусов.3) Температура воды в блестящей кастрюле станет ниже, чем в чёрной.4) Температура воды в чёрной кастрюле станет ниже, чем в блестящей.

11. Учитель провёл следующий опыт. Раскалённая плитка (1) размещалась напротив полой цилиндрической закрытой коробки (2), соединённой резиновой трубкой с коленом U-образного манометра (3). Первоначально жидкость в коленах находилась на одном уровне. Через некоторое время уровни жидкости в манометре изменились (см. рисунок).

Выберите из предложенного перечня два утверждения, которые соответствуют результатам проведённых экспериментальных наблюдений. Укажите их номера.

1) Передача энергии от плитки к коробке осуществлялась преимущественно за счёт излучения.2) Передача энергии от плитки к коробке осуществлялась преимущественно за счёт конвекции.3) В процессе передачи энергии давление воздуха в коробке увеличивалось.4) Поверхности чёрного матового цвета по сравнению со светлыми блестящими поверхностями лучше поглощают энергию.5) Разность уровней жидкости в коленах манометра зависит от температуры плитки.

12. Из перечня приведённых ниже высказываний выберите два правильных и запишите их номера в таблицу.

1) Внутреннюю энергию тела можно изменить только в процессе теплопередачи.2) Внутренняя энергия тела равна сумме кинетической энергии движения молекул тела и потенциальной энергии их взаимодействия.3) В процессе теплопроводности осуществляется передача энергии от одних частей тела к другим.4) Нагревание воздуха в комнате от батарей парового отопления происходит, главным образом, благодаря излучению.5) Стекло обладает лучшей теплопроводностью, чем металл.

Ответы

Виды теплопередачи: теплопроводность, конвекция, излучение

fizi4ka.ru

11 - Исследование теплопередачи в газах

qndS

ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ В ГАЗАХ.

Передача тепла в газах происходит в основном благодаря двум процессам конвекции и теплопроводности. Конвекция - образование макроскопических потоков в газовой (или жидкой) среде - возникает, если нагретое тело находится внизу, а холодное, к которому передается тепло, наверху, и, кроме того, давление газа и расстояние между телами достаточно велики. Эти условия благоприятствуют возникновению интенсивной циркуляции газа, которая практически не поддается количественному теоретическому описанию. По абсолютной величине количество тепла, переносимое èç-çàконвекции, может быть значительно больше, чем энергия, передаваемая за счет теплопроводности. Однако с понижением давления газа роль конвекции в передаче тепла уменьшается. Теплопроводность - непосредственная передача энергии теплового движения между имеющими разную температуру объемами вещества за счет взаимодействия их молекул. В газах это взаимодействие осуществляется молекулами, беспорядочно перелетающими в ту или в другую сторону через границу раздела между объемами и передающими избыточную кинетическую энергию при столкновениях; в конденсированных (твердых и жидких) телах более интенсивные колебания молекул одного объема раскачивают соседние с ними молекулы другого

объема.

Собственно теплопроводностью называют молекулярный теплообмен в условиях, когда градиенты температуры не слишком велики (или плотность среды не слишком мала), так что среду можно разбить на "макроскопически бесконечно малые" объемы dV - настолько малые, что разности температурdT между соседними

объемами очень малы по сравнению с общими разностями температур между участвующими в теплообмене телами, но настолько большие, что каждый из них содержит очень большое число молекул. В этом случае тепло передается "от точки к точке", то есть от одного макроскопически малого объема dV к соседнему, подобно

тому, как течет сплошная среда (жидкость или газ). Точно так же, как и при описании движения жидкости полезно вводить вектор плотности потока массы ½~v (½ - плотность,~v - скорость), при описании распространения

тепла вводят вектор плотности потока тепла ~q, имеющий аналогичный смысл, а именно: количество теплаdQ, переносимое через площадкуdS за времяdt

ãäå qn - проекция вектора~q на нормаль кdS 1

(знак минус указывает, что тепло переносится в сторону понижения температуры). Коэффициент пропорциональности x в формуле (2) называюткоэффициентом теплопроводности или простотеплопроводностью (èç

Наиболее просто процесс теплопроводности описывается, когда поле температур одномерно (изотермические поверхности - параллельные плоскости; обозначая перпендикулярное им направление через z, можно сказать,

что температура и другие переменные зависят только от одной координаты z) и стационарно (температура не зависит от времени). В этом случае, очевидно, градиент температуры@T

@z в одномерной среде не может зависеть отz. Действительно, пусть, например,gradT - положителен и в плоскостиz1 больше, чем в плоскостиz2,

(z1 > z2). Тогда, в силу (2), в заключенный между этими плоскостями слой вещества втекает больше тепла, чем вытекает из него, и слой должен нагреваться, что противоречит условию стационарности. Таким образом, в стационарном одномерном случае температура является линейной функцией координатыz, и вместо (2) и (1)

можно написать

ãäå Tí èTõ - температуры "нагревателя" и "холодильника", между которыми заключен слой вещества толщины

d и площадиS, àQ - количество тепла, перенесенное за времяt от нагревателя холодильнику. Согласномолекулярно-кинетическойтеории коэффициент теплопроводности идеального газа

1Вывод этой формулы для случая потока массы вам, конечно, известен. Для теплового потока формула (1) есть определение вектораq~. Обратите внимание на терминологию:потоком тепла черезdS называютскалярную величинуqndS (поток через конечную

площадь S равенR и имеет смысл полного количества тепла, переносимого черезS в единицу времени).Плотность потока q~

S

есть вектор, который часто называют просто "вектором теплового потока" (указание на векторный характер величин позволяет

опустить слово "плотность").

(ãäå n0 - число молекул в единице объема), то, зная коэффициент теплопроводности газа можно оценить эффективный диаметр его молекул.

При очень низких давлениях газа, когда средняя длина свободного пробега молекул больше размеров сосуда, в котором газ заключен, обычное понятие теплопроводности - явления, обусловленного столкновениями молекул между собой - теряет смысл. Перенос тепла (теплопередача) существует и в разреженном газе, но механизм его иной. Так как молекулы здесь сталкиваются только со стенками сосуда, то процесс теплопередачи от более нагретой поверхности к менее нагретой можно приблизительно описать так. Молекулы газа при ударах о более нагретую поверхность приобретают энергию, соответствующую температуре этой поверхности. Отразившись от нее, молекулы, не сталкиваясь между собой, достигают более холодной поверхности, передают ей избыток энергии и отражаются от не с энергией, соответствующей температуре холодной стенки. При таком способе передачи тепла от одной поверхности к другой внутри газа нет градиента температуры, поэтому и теряет смысл понятие теплопроводности. Очевидно, что в этих условиях количество тепла, переносимое газом, пропорционально числу ударов молекул о стенки, то есть давлению газа.

Задача работы. Установка и метод измерений.

Задачи, ставящиеся в работе:

1. Определить коэффициент теплопроводности газа.

2. Оценить эффективный диаметр молекул газа.

3. Исследовать явление теплопередачи при низких давлениях.

В качестве исследуемого газа используется воздух - смесь азота и кислорода. Оба эти газа - двухатомные, молекулярный вес этих газов примерно одинаков, и диаметры молекул близки между собой, поэтому воздух можно приблизительно рассматривать как газ, состоящий из однородных молекул.

Передача тепла осуществляется в сосуде Дьюара "8", рис.1 - это сферический стеклянный сосуд с двойными стенками, между которыми находится исследуемый газ. Сосуд помещен в термостат, в котором налита вода. Вода поддерживается при постоянной температуре Tí1. Во внутреннюю полость сосуда Дьюара наливается

вода и вставляется термометр. (Вода во внутренней полости нужна для улучшения теплового контакта между стенками сосуда и термометром, она потребуется также при определении теплоемкости сосуда).

Ðèñ. 1:

Промежуток между стенками сосуда Дьюара соединен с вакуумной установкой, позволяющей откачивать воздух из этого промежутка. (Описание вакуумной установки см. ниже).

1Описание термостата см. ниже; оно также выдается в лаборатории.

Внутренняя полость сосуда служит "холодильником", принимающим тепло, переданное через слой газа от "нагревателя", которым служит вода, налитая в термостат.

Так как расстояние между стенками сосуда мало по сравнению с радиусом его поверхности, для описание теплопроводности можно воспользоваться уравнением (3), справедливым для плоского случая.

Пусть за время dt "холодильник" получил теплоdQ. При этом его температура возрастает на

Если передача тепла происходит достаточно медленно, для определения x можно воспользоваться только начальной частью экспоненты (7). Раскладывая функциюe¡®t в ряд и пренебрегая малыми членами, получим

Таким образом, график зависимости (Tõ¡Tõ0) от времени избражается прямой линией, угловой коэффициент которой пропорционален коэффициенту теплопроводности и зависит от величинS,l èCõ, характеризующих сосуд Дьюара. ПлощадьS поверхности стенки сосуда и расстояниеl между стенками известны (эти данные

написаны на каждой установке). Теплоемкость "холодильника" нужно определить в процессе измерений. Роль "холодильника" в нашем опыте играет внутренняя полость сосуда Дьюара, в которую налита вода и

вставлен термометр. Соответственно, теплоемкость его

ãäå câ èmâ - удельная теплоемкость и масса воды,C0 - теплоемкость стенок полости и термометра. Теплоемкостьcâ берется из таблиц, величинаC0 неизвестна. Для е определения коэффициент® нужно

измерить несколько раз с разными количествами воды mâ, налитой в "холодильник". Из уравнений (8) и (10)

получим

®1 = Cæ0Sl+ æcâSlmâ:

Начертив зависимость 1=® îòmâ сможем определитьæ èC0. Определение коэффициента® следует провести для различных давленийp, от атмосферного до предельного разрежения, которое позволяет получить вакуумная

установка.

Начертите зависимомть ®(p), объясните вид полученной кривой. Выделите область давлений, где передача тепла происходит благодаря собственной теплопроводности, определите коэффициент теплопроводностиæ.

Определите эффективный диаметр молекул ¾.

1

2

3

Ðèñ. 3:

Вакуумная установка.

Вакуумная установка позволяет откачивать воздух из промежутка между стенками сосуда Дьюара, измерять давление и поддерживать его постоянным.

Схема вакуумной установки показана на рис.1. Откачка производится механическим форвакуумным насосом "1" (типа ÐÂÍ-20èëèÂÍ-461),позволяющим создавать разряжение до10¡3тор. Для уменьшения шума

насос установлен в специальном отсеке под столом. С вакуумной системой насос соединяется трубкой "2" из толстостенной вакуумной резины. Вакуумная система состоит из крана "3", отсоединяющего систему от насоса, балластного баллона "4", манометрической лампы ËÒ-2"5", механического вакууметра "6" и сосуда Дьюара "8", соединенного с системой краном "7". Зажим "9" служит для впуска воздуха в установку. Все части системы соединены стеклянными трубками1.

Кран "3" может быть установлен в одном из трех положений: à) форвакуумный насос соединен с вакуумной системой;á) насос соединен с атмосферой, вакуумная система перекрыта;â) насос отсоединен от вакуумной системы и от атмосферы.

Каждый раз, когда насос выключен, его нужно соединить с атмосферой (ставить кран "3" в положение á)), иначе масло из насоса может быть засосано в систему. Открывать и закрывать краны нужно очень медленно и плавно, без рывков.

Механический вакууметр позволяет измерять давление от атмосферного до нуля. Основной элемент вакууметра - пустотелая изогнутая пластина (рис.2). Если давление внутри пластины увеличивается, она выпрямляется, а если уменьшается - закручивается. Конец пластины через рычаг и шестереночную передачу связан со стрелкой, конец которой перемещается по шкале.

Шкала манометра разделена на 100 делений. Шкала линейная. Для градуировки манометра нужно измерять его показания при атмосферном давлении (давление определить по барометру) и при предельном вакууме (проверяя одновременно качество откачки термопарным вакууметром, см. ниже). Из этих данных можно определить цену деления шкалы.

Термопарный вакууметр позволяет измерять давление в пределах10¡1 ¡ 10¡3òîð.

Действие термопарного вакууметра основано на том, что при низких давлениях (когда длина свободного пробега молекул в газе больше размеров сосуда) скорость передачи тепла через газ зависит от давления. Следовательно, можно измерить давление по скорости отдачи тепла нагретым телом, помещенным в разреженный

ãàç.Датчиком термопарного вакууметра является манометрическая лампаËÒ-2,которая соединяется с откачи- ваемым объемом. Устройство термопарной лампы показано на рис.3.

В стеклянном или металлическом баллоне укреплена V-образнаянить "1", через которую пропускают ток. Эта нить служит нагревателем.

Через тонкую соединительную проволочку "2" тепло передается термопаре "3", выполненной в виде слегка пружинящих подвесов. При изменении давления меняется теплоотдача через газ, вследствие чего меняется температура спая термопары, а следовательно и термо-эдс.По изменениютермо-эдссудят о давлении.

Схема питания нагревателя и измерительный прибор, служащий для измерения термо-эдс,смонтированы в блок вакууметра. Измерительный пробор может быть проградуирован непосредственно в единицах давления либо в милливольтах, В последнем случае необходимо иметь градуировочную кривую для перехода оттермо-эдск давлению газа.

Подробнее об устройстве вакууметра и порядке работы с ним см. в описании вакууметра (выдается в лаборатории).

1В вакуумной системе имеются ещ и другие детали: ловушка, разрядная трубка и т.д., необходимые для выполнения других

лабораторных работ. Они не используются в данной работе и на рисунке не показаны.

Сосуд Дьюара соединен с вакуумной системой стеклянной трубкой. Вынимать сосуд Дьюара из термостата нельзя. Чтобы удалить воду из внутренней полости сосуда, воспользуйтесь резиновой грушей. Количество воды, наливаемое в сосуд, отмеряйте мензуркой.

Примечание.

В некоторых установках механического манометра нет и вместо него используется масляный U-образныйманометр. Устройство его видно из чертежа (см. рис.4). При подготовке манометра к работе открывают краны К6 и К7 и начинают откачку. Масло, которое залито в манометр, может пузыриться, что устраняется нагреванием его феном или пламенем спиртовки (старайтесь не касаться стекла пламенем). Откачку производить до предельно достижимого вакуума. Потом закрывают кран К7 - манометр к работе готов!

Если нужно впустить воздух в установку с работающим манометром, то это надо делать очень медленно и осторожно. Давление в установке можно поднять только до такого предела, чтобы уровень масла в манометре не опустился до места перегиба, иначе пузырьки воздуха могут прорваться в откаченное колено. Удобнее всего напускать воздух через капилляры и при одновременной откачке установки через кран К1. После того, как нужное давление в установке будет достигнуто, закройте сначала кран на капилляр, а затем сразу же - кран К1. Для впуска воздуха имеется несколько капилляров, присоединенных к установке через краны. На каждый капилляр надета резиновая трубка с зажимом для регулировки скорости натекания.

Ðèñ. 4:

Устройство термостата и работа с ним.

Термостат ÒÑ-16Àпредставляет собой бак с двойными стенками, наполняемый жидкостью - водой (для температур от80o äî100oC) или маслом (для более высоких температур - до200oC). Температура жидкости

регулируется двумя электронагревателями - основным, мощностью 1300вт, и дополнительным (мощностью 700вт), и охлаждающим змеевиком, через который пропускается водопроводная вода. Мешалка, которую вращает трехфазный электромотор, обеспечивает равномерность температуры жидкости. Термостатируемый объект может погружаться в жидкость внутри бака через отверстие в крышке; кроме того термостат имеет центробежный насос (на одной оси с мешалкой), который позволяет прокачивать термостатирующую жидкость через системы, расположенные вне бака.

Термостат управляется контактным ртутным термометром типа ТПК. Капилляр этого термометра в верхней части соединяется с более широкой, эллиптического сечения, в которой помещается винт и эллиптическая гайка, поступательно перемещающаяся при вращении винта. Винт имеет на верхнем конце железное ярмо, которое можно вращать подковообразным магнитом, надеваемым сверху на головку термометра. На гайке закреплена одним концом тонкая вольфрамовая проволочка, другой конец которой входит в капилляр. Вращением винта этот конец можно устанавливать на любой высоте в пределах шкалы термометра (для более удобной установки термометр в верхней части имеет вторую шкалу, по которой отсчитывается положение гайки). Через гайку и винт проволочка электрически соединена с электродом, впаянным в верхний конец трубки; второй электрод, впаянный в баллон термометра, погружен в ртуть. При повышении температуры, когда конец столбика ртути в капилляре касается острия проволочки, замыкается цепь обмотки реле, которое выключает нагреватель1.

Термостат включают в следующем порядке:

1. Проверьте наличие воды в баке. (Если заглянуть в бак нельзя, например, в работе •11 - то вставьте специальную рейку в отверстие для контрольного термометра, имеющееся в крышке. Вода должна доходить до метки, сделанной на рейке). В случае необходимости долейте дистиллированную воду до уровня метки.

2. Проверьте шланги, с помощью которых термостатируемая жидкость прокачивается через Ваш прибор. (Если термостатируемый объект находится внутри бака термостата, патрубки ввода и вывода жидкости соединены между собой). Включите двигатель насоса и мешалки. Убедитесь в том, что вода течет через прибор и возвращается в термостат.

3. Установите контакт термометра на желаемую температуру (приблизительно). (Погрешность градуировкиконтактного термометра может достигать 1¡2o, так что окончательно температуру отсчитывают и, если нужно,

подправляют с помощью более точного термометра, помещаемого в термостатируемый прибор).

Магнитная головка термометра должна вращаться свободно, без усилия; если чувствуете сопротивление, не пытайтесь преодолеть его силой, а отпустите фиксирующий винт.

4. Включите основной нагревательный элемент термостата. Второй элемент (700вт) включается только при необходимости ускорить нагрев; его следует включать до достижения заданной температуры, чтобы не перегружать контакты реле.

Приложения к работе •11.

1. ТермостатÒÑ-16À.Описание и правила эксплуатации.

2. Инструкция по эксплуатации термометров типа ТПК.

3. Термопарный вакууметрÂÒ-2.Описание и правила пользования.

Приложения выдаются в лаборатории, а также имеются в библиотеке, в единственном экземпляре.

1В действительности контактным термометром можно разрывать только очень слабый ток, недостаточный для срабатывания мощного реле; поэтому в управляющей схеме используется дополнительное чувствительное реле и полупроводниковый усилитель.

Подробную схему см. в заводской инструкции к термостату (имеется в приложении к описанию).

studfiles.net

Теплообмен

Теплообмен — это процесс изменения внутренней энергии без совершения работы над телом или самим телом.Теплообмен всегда происходит в определенном направлении: от тел с более высокой температурой к телам с более низкой.Когда температуры тел выравниваются, теплообмен прекращается.Теплообмен может осуществляться тремя способами:

1. теплопроводностью
2. конвекцией
3. излучением

Теплопроводность

Теплопроводность — явление передачи внутренней энергии от одной части тела к другой или от одного тела к другому при их непосредственном контакте.Наибольшей теплопроводностью обладают металлы — она у них в сотни раз больше, чем у воды. Исключением являются ртуть и свинец, но и здесь теплопроводность в десятки раз больше, чем у воды.При опускании металлической спицы в стакан с горячей водой очень скоро конец спицы становился тоже горячим. Следовательно, внутренняя энергия, как и любой вид энергии, может быть передана от одних тел к другим. Внутренняя энергия может передаваться и от одной части тела к другой. Так, например, если один конец гвоздя нагреть в пламени, то другой его конец, находящийся в руке, постепенно нагреется и будет жечь руку.Нагревание кастрюли на электрической плитке происходит через теплопроводность.Изучим это явление, проделав ряд опытов с твердыми телами, жидкостью и газом.Внесем в огонь конец деревянной палки. Он воспламенится. Другой конец палки, находящийся снаружи, будет холодным. Значит, дерево обладает плохой теплопроводностью.Поднесем к пламени спиртовки конец тонкой стеклянной палочки. Через некоторое время он нагреется, другой же конец, останется холодным. Следовательно, и стекло имеет плохую теплопроводность.Если же мы будем нагревать в пламени конец металлического стержня, то очень скоро весь стержень сильно нагреется. Удержать его в руках мы уже не сможем.Значит, металлы хорошо проводят тепло, т. е. имеют большую теплопроводность. Наибольшей теплопроводностью обладают серебро и медь.Теплопроводность у различных веществ различна.Плохой теплопроводностью обладают шерсть, волосы, перья птиц, бумага, пробка и другие пористые тела. Это связано с тем, что между волокнами этих веществ содержится воздух. Самой низкой теплопроводностью обладает вакуум (освобожденное от воздуха пространство). Объясняется это тем, что теплопроводность — это перенос энергии от одной части тела к другой, который происходит при взаимодействии молекул или других частиц. В пространстве, где нет частиц, теплопроводность осуществляться не может.Если возникает необходимость предохранить тело от охлаждения или нагревания, то применяют вещества с малой теплопроводностью. Так, для кастрюль, сковородок ручки из пластмассы. Дома строят из бревен или кирпича, обладающих плохой теплопроводностью, а значит, предохраняют от охлаждения.

Конвекция

Конвекция — это процесс теплопередачи, осуществляемый путем переноса энергии потоками жидкости или газа.Пример явления конвекции: небольшая бумажная вертушка, поставленная над пламенем свечи или электрической лампочкой, под действием поднимающегося нагретого воздуха начинает вращаться. Это явление можно объяснить таким образом. Воздух, соприкасаясь с теплой лампой, нагревается, расширяется и становится менее плотным, чем окружающий его холодный воздух. Сила Архимеда, действующая на теплый воздух со стороны холодного снизу вверх, больше, чем сила тяжести, которая действует на теплый воздух. В результате нагретый воздух «всплывает», поднимается вверх, а его место занимает холодный воздух.При конвекции энергия переносится самими струями газа или жидкости.Различают два вида конвекции:

• естественная (или свободная)

Излучение

Излучение — электромагнитное излучение, испускаемое за счет внутренней энергии веществом, находящимся при определенной температуре.Мощность теплового излучения объекта, удовлетворяющего критериям абсолютно черного тела, описывается законом Стефана — Больцмана.Отношение излучательной и поглощательной способностей тел описывается законом излучения Кирхгофа.Передача энергии излучением отличается от других видов теплопередачи: она может осуществляться в полном вакууме.Излучают энергию все тела: и сильно нагретые, и слабо, например тело человека, печь, электрическая лампочка и др. Но чем выше температура тела, тем больше энергии передает оно путем излучения. При этом энергия частично поглощается этими телами, а частично отражается. При поглощении энергии тела нагреваются по-разному, в зависимости от состояния поверхности.Тела с темной поверхностью лучше поглощают и излучают энергию, чем тела, имеющие светлую поверхность. В то же время тела с темной поверхностью охлаждаются быстрее путем излучения, чем тела со светлой поверхностью. Например, в светлом чайнике горячая вода дольше сохраняет высокую температуру, чем в темном.

Другие заметки по физике

edu.glavsprav.ru

Теплопередача и теплоотдача — Мегаобучалка

Понятие теплопередача (теплообмен) охватывает совокупность явлений передачи теплоты из более нагретой подвижной среды в другую, менее нагретую, через разделяющую их твердую стенку. Например, теплопередача от воды к воздуху, между которыми расположена стенка. Твердая стенка может быть и многослойной. Например, при рассмотрении переноса теплоты от воды, движущейся по трубопроводу теплотрассы, к окружающему воздуху.

Теплоотдача также охватывает совокупность явлений переноса теплоты только между поверхностью твердого тела и жидкой или газообразной подвижной средой. В практике гидрологов и метеорологов часто встречаются задачи о теплообмене между двумя подвижными средами, исключая твердую стенку, — это случай теплоотдачи водной поверхностью в окружающую ее среду — воздух.

В широком понимании теплопередача и теплоотдача осуществляются теплопроводностью, конвекцией, лучистым теплообменом, при изменении агрегатного состояния вещества, биологических процессах в живых организмах и др. Способы передачи тепла (теплоперенос или теплопередача) в твердом теле и в жидкости различны.

Перенос теплоты вследствие теплопроводности подчиняется закону Фурье. Рассматриваемая форма переноса теплоты в основном присуща твердым телам, в которых теплота распространяется передачей кинетической энергии от одних микрочастиц к другим путем соударений; перемещение самих частиц в твердом теле, естественно, исключено. Теплопроводность имеет место также в жидкостях и газах (воздухе). Но в последних теплота передается также путем перемещения частиц, носителей тепловой энергии. Такой способ называется конвективным теплопереносом. Заметим, что в первом случае теплота передается, а носители теплоты, частицы жидкости, остаются на месте, в то время как во втором случае теплота переносится вместе с жидкостью. Таким образом, в жидких и газообразных средах теплопроводность проявляется в чистом виде лишь в том случае, когда наблюдается прямая стратификация плотности. Для воды такому состоянию плотности соответствует повышение температуры с высотой при ее значении более 4°С и понижение с высотой — при ее температуре менее 4°С.

Перенос теплоты конвекцией происходит в результате перемещения частиц теплоносителя и наблюдается только в жидких и газообразных средах. В зависимости от причины, побуждающей частицы жидкости перемещаться, различают свободную и вынужденную конвекции.

Свободной (естественной, плотностной) конвекцией называется движение жидкости (газа), вызываемое неоднородностью плотности частиц жидкости (газа), находящихся в поле тяготения. Поэтому свободно конвективный перенос теплоты обусловлен перемещением частиц жидкости лишь в силу изменения их плотности, что, в свою очередь, обусловлено нагреванием или охлаждением ее или изменением концентрации (солености). Например, если воду в сосуде, находящуюся при температуре выше 4°С, охлаждать сверху, то в воде возникнет свободная конвекция, т. е. активный перенос частиц воды снизу вверх. Одновременно будет происходить перенос более охлажденных частиц в обратном направлении. В этом случае наблюдается нестационарная свободная конвекция. Увеличение плотности поверхностных слоев водоема может произойти также за счет увеличения мутности, обусловленной притоками, или осолонения при испарении.

Вынужденной конвекцией называется движение жидкости (газа), вызываемое воздействием внешних сил (ветер, насос и т.д.), а также однородного поля массовых сил в жидкости (уклон и т.д.). Таким образом, перенос теплоты вынужденной конвекцией обусловлен турбулентным перемешиванием водных или воздушных масс потока, а также связан с переносом теплоносителя. При вынужденной конвекции осуществляется перенос тепла, связанный, например, с течением водных и воздушных потоков, с ветровым перемешиванием и ветровым течением водных масс суши. В отличие от свободной конвекции при вынужденной конвекции происходит полярный перенос водных масс, а не молекулярный, т. е. перенос больших объемов жидкости.

Таким образом, гидравлика жидкости (поле скоростей) при вынужденной конвекции мало зависит от температуры и поэтому может и должна определяться до начала теплового расчета; она является заданным условием решения тепловой задачи, в то время как гидравлика при свободной (естественной) конвекции прямо связана с тепловым режимом рассматриваемого водного объекта, и поэтому здесь вопросы гидравлики и термики должны рассматриваться совместно, что принципиально существенно усложняет задачу.

Часто имеет место одновременно вынужденная и свободная конвекция.

Третья форма передачи теплоты обусловлена лучистым (радиационным) теплообменом и совершается путем двойного превращения энергии: сперва из тепловой в электромагнитную в месте излучения, а затем, после того как она прошла весь путь в теплопрозрачной среде, обратно в тепловую в месте поглощения. Таким образом, эта форма передачи теплоты характеризуется тем, что часть энергии тела, определяемая температурой его поверхности, преобразуется в энергию теплового излучения и уже в таком виде передается в окружающее пространство. Встречая на своем пути другое тело, лучистая энергия частично отражается от его поверхности и частично поглощается им, т. е. проникает на некоторую его глубину, зависящую от прозрачности тела.

Скорости передачи теплоты указанными способами различны. Радиационным способом совершается практически мгновенная передача теплоты; так, в воздухе скорость передачи равна 300 000 км/с. При конвективном способе скорость передачи теплоты полностью зависит от скорости движения жидкости; так , например, в реке она может составлять 1-2 м/с.

Особая форма передачи теплоты имеет место в случае изменения агрегатного состояния вещества, например при кристаллизации воды и таянии льда, при конденсации водяного пара и испарении воды и т. д.

Биологические и химические процессы также сопровождаются тепловыми процессами. При кристаллизации и конденсации воды и биологических процессах происходит выделение теплоты, а при испарении воды, таянии льда — ее поглощение.

megaobuchalka.ru

это что такое? Виды, способы, расчет теплопередачи :: SYL.ru

Теплопередача - это важный физический процесс. Он предполагает перенос теплоты и является сложным процессом, который состоит из совокупности простых превращений.

Существуют определенные виды теплопередачи: конвекция, теплопроводность, тепловое излучение.

Особенности процесса

Теория теплообмена является наукой об особенностях передачи теплоты. Теплопередача - это перенос энергии в газообразных, жидких, твердых средах.

Теория о теплоте появилась в середине XVIII века. Ее автором стал М. В. Ломоносов, который сформулировал механическую теорию теплоты, воспользовавшись законом сохранения и превращения энергии.

Варианты теплообмена

Теплопередача - это составная часть теплотехники. Разные тела могут обмениваться своей внутренней энергией в форме теплоты. Вариант теплообмена является самопроизвольным процессом передачи теплоты в свободном пространстве, который наблюдается при неравномерном распределении температур.

Разность в значениях температур является обязательным условием проведения теплообмена. Распространение тепла происходит от тел, имеющих более высокую температуру, к телам, обладающим меньшим ее показателем.

Результаты исследований

Теплопередача - это процесс переноса тепла и внутри твердого тела, но при условии, что есть разность температур.

Многочисленные исследования свидетельствуют о том, что теплопередача ограждающих конструкций является сложным процессом. Для того чтобы упростить изучение сути явлений, связанных с передачей тепла, выделяют элементарные операции: кондукцию, излучение, конвекцию.

Теплопроводность: общая информация

Чаще всего используется какой вид теплопередачи? Переносом вещества внутри тела можно изменить температуру, например, нагревая металлический стержень, увеличить скорость теплового движения атомов, молекул, повысить показатель внутренней энергии, увеличить теплопроводность материала. По мере соударения частиц происходит постепенная передача энергии, в результате чего весь стержень меняет свою температуру.

Если рассматривать газообразные и жидкие вещества, то передача энергии путем теплопроводности в них имеет незначительные показатели.

Конвекция

Такие способы теплопередачи связаны с переносом теплоты при движении в газах или жидкостях из области с одним температурным значением в область с другим ее показателем. Существует подразделение конвекции на два вида: вынужденную и свободную.

Во втором случае происходит перемещение жидкости под воздействием разности в плотностях ее отдельных частей из-за нагревания. К примеру, в помещении от горячей поверхности радиатора холодный воздух поднимается вверх, получая от батареи дополнительное тепло.

В тех случаях, когда для перемещения тепла необходимо применение насоса, вентилятора, мешалки, ведут речь о вынужденной конвекции. Прогревание по всему объему жидкости в этом случае происходит существенно быстрее, нежели при свободной конвекции.

Излучение

Какой вид теплопередачи характеризует изменение температурного показателя в газообразной среде? Речь идет о тепловом излучении.

Именно оно предполагает перенос тепла в виде электромагнитных волн, подразумевающий двойной переход тепловой энергии в излучение, затем обратно.

Особенности передачи тепла

Для того чтобы проводить расчет теплопередачи, необходимо иметь представление о том, что для теплопроводности и конвекции нужна материальная среда, а для излучения в этом нет необходимости. В процессе теплообмена между телами наблюдается уменьшение температуры у того тела, у которого этот показатель имел большую величину.

На такую же точно величину повышается температура холодного тела, что подтверждает полноценный процесс обмена энергией.

Интенсивность теплообмена зависит от разности в температурах между телами, которые обмениваются энергией. Если она практически отсутствует, процесс завершается, устанавливается тепловое равновесие.

Характеристика процесса теплопроводности

Коэффициент теплопередачи связан со степенью нагретости тела. Температурным полем называют сумму показателей температур для разных точек пространства в определенный момент времени. При изменении значения температуры в единицу времени поле является нестационарным, для неизменной величины – стационарным видом.

Изотермическая поверхность

Независимо от температурного поля, всегда можно выявить точки, имеющие одинаковое температурное значение. Геометрическое расположение их образует определенную изотермическую поверхность.

В одной точке пространства не допускается одновременного нахождения двух разных температур, поэтому изотермические поверхности не могут пересекаться между собой. Можно сделать вывод о том, что изменение в теле значения температуры проявляется лишь в тех направлениях, которые пересекают изотермические поверхности.

Максимальный скачок отмечается в направлении нормали к поверхности. Температурный градиент представляет собой отношение наибольшего показателя температур к промежутку между изотермами и является векторной величиной.

Он показывает интенсивность изменения температуры внутри тела, определяет коэффициент теплопередачи. То количество теплоты, которое будет переноситься через любую изотермическую поверхность, называют тепловым потоком.

Под его плотностью подразумевают отношение к единице площади самой изотермической поверхности. Эти величины являются векторами, противоположными по направлению.

Закон Фурье

Он является основным законом теплопроводности. Суть его заключается в пропорциональности плотности теплового потока градиенту температуры.

Коэффициент теплопроводности характеризует способность тел пропускать теплоту, он зависит от физических свойств вещества и его химического состава, влажности, температуры, пористости. Влага при заполнении пор стимулирует повышение теплопроводности. При высокой пористости внутри тела содержится повышенное количество воздуха, что сказывается на уменьшении показателя теплопроводности.

Определенный коэффициент сопротивления теплопередаче есть у всех материалов, найти его можно в справочниках.

Теплопроводность в твердой стенке

В качестве обязательного условия для данного процесса считается разность температур поверхностей стенки. В такой ситуации образуется поток теплоты, который направлен от стенки с большим значением температуры к поверхности стенки с небольшой температурой.

По закону Фурье тепловой поток будет пропорционален площади стенки, а также температурному напору, и обратно пропорционален толщине этой стенки.

Приведенное сопротивление теплопередаче зависит от теплопроводности материала, из которого изготовлены стенки. Если они включают в себя несколько разных слоев, их считают многослойными поверхностями.

В качестве примера подобных материалов можно назвать стены домов, где на кирпичный слой наносят внутреннюю штукатурку, а также внешнюю облицовку. В случае загрязнения наружной поверхности передающей тепловую энергию, к примеру, радиаторов либо двигателей, грязь можно рассмотреть как наложение нового слоя, имеющего незначительный коэффициент теплопроводности.

Именно из-за этого снижается теплообмен, возникает угроза перегревания работающего двигателя. Аналогичный эффект вызывает нагар и накипь. При увеличении количества слоев стенки растет ее максимальное термическое сопротивление, уменьшается величина теплового потока.

Для многослойных стенок распределение температуры является ломаной линией. Во многих теплообменных аппаратах осуществляется прохождение теплового потока через стенки круглых трубок. Если нагревающее тело движется внутри таких трубок, то в таком случае тепловой поток направлен к наружным стенкам от внутренних частей. При наружном варианте наблюдается обратный процесс.

Теплопередача: особенности процесса

Существует взаимодействие между тепловым излучением, конвекцией, теплопроводностью. Например, в процессе конвекции происходит тепловое излучение. Теплопроводность в пористых материалах невозможна без излучения и конвекции.

При проведении практических вычислений деление сложных процессов на отдельные явления не всегда целесообразно и возможно. В основном результат суммарного воздействия нескольких простейших явлений приписывают тому процессу, который считается основным в конкретном случае.

Второстепенные процессы при таком подходе учитывают только для количественных вычислений.

В современных теплообменных аппаратах происходит передача теплоты от одного вида жидкости к другой жидкости через стенку, которая их разделяет. Важным фактором, который влияет на коэффициент теплообмена, является форма стенки. Если она плоская, в таком случае можно выделить три этапа теплопередачи:

• к поверхности стенки от нагревающей жидкости;
• теплопроводностью через стенку;
• к нагреваемой жидкости к поверхности стенки.

Полное термическое сопротивление теплопередачи является величиной, которая обратна коэффициенту теплопередачи.

Заключение

Теплопроводность является процессом передачи внутренней энергии от нагретых участков тела к его холодным частям. Подобный процесс осуществляется с помощью беспорядочно движущихся атомов, молекул, электронов. Такой процесс может происходить в телах, которые имеют неоднородное распределение значений температур, но будет отличаться в зависимости от агрегатного состояния рассматриваемого вещества.

Можно рассматривать данную величину в качестве количественной характеристики способности тела к провождению тепла. Удельной теплопроводностью называют количество тепла, которое может проходить через материал, имеющий толщину 1м, площадь 1 м²/сек.

Долгое время считали, что существует взаимосвязь между передачей тепловой энергии и перетеканием от тела к телу теплорода. Но после проведения многочисленных экспериментов была выявлена зависимость подобных процессов от температуры.

В реальности при проведении математических расчетов, касающихся определения количества теплоты, передаваемой разными способами, учитывают проводимость путем конвекции, а также проникающее излучение. Коэффициент теплопередачи связан со скоростью передвижения жидкости, характером движения, его природой, а также с физическими параметрами движущейся среды.

В качестве носителей лучистой энергии выступают электромагнитные колебания, имеющие разную длину волн. Излучать их могут любые тела, температура которых превышает нулевое значение.

Излучение является результатом процессов, происходящих внутри тела. При попадании его на другие тела наблюдается частичное ее поглощение и частичное поглощение телом.

Закон Планка определяет зависимость плотности поверхностного потока излучения черного тела от абсолютной температуры и длины волны.

Простейшие виды теплообмена, которые были рассмотрены выше, не существуют по отдельности, они взаимосвязаны друг с другом. Сочетание их является сложным теплообменом, который предполагает серьезное изучение и детальное рассмотрение.

В теплотехнических расчетах используют суммарный коэффициент передачи тепла, который представляет собой совокупность коэффициентов теплоотдачи соприкосновением, которое учитывает теплопроводность, конвекцию, излучение.

При правильном подходе и учете отдельных тепловых явлений можно с высокой достоверностью рассчитать количество теплоты, переданное телу.

www.syl.ru

Теплопроводность. Теплопроводность жидкостей и газов

Московский Государственный Строительный Университет

Кафедра Физики

КУРСОВАЯ РАБОТА

по физике на тему

Теплопроводность. Теплопроводность жидкостей и газов.

Студент ПГС 2 курс

Руководитель

Панфилова Марина Ивановна

Москва 2008 г.

Содержание

Введение

В учении о теплообмене рассматриваются процессы распространения теплоты в твердых, жидких и газообразных телах. Эти процессы по своей физико-механической природе весьма многообразны, отличаются большой сложностью и обычно развиваются в виде целого комплекса разнородных явлений.

Перенос теплоты может осуществляться тремя способами: теплопроводностью, конвекцией и излучением, или радиацией. Эти формы глубоко различны по своей природе и характеризуются различными законами.

Процесс переноса теплоты теплопроводностью происходит между непосредственно соприкасающимися телами или частицами тел с различной температурой. Учение о теплопроводности однородных и изотропных тел опирается на весьма прочный теоретический фундамент. Оно основано на простых количественных законах и располагает хорошо разработанным математическим аппаратом. Теплопроводность представляет собой, согласно взглядам современной физики, молекулярный процесс передачи теплоты.

Известно, что при нагревании тела кинетическая энергия его молекул возрастает. Частицы более нагретой части тела, сталкиваясь при своем беспорядочном движении с соседними частицами, сообщают им часть своей кинетической энергии. Этот процесс постепенно распространяется по всему телу. Перенос теплоты теплопроводностью зависит от физических свойств тела, от его геометрических размерах, а также от разности температур между различными частями тела. При определении переноса теплоты теплопроводностью в реальных телах встречаются известные трудности, которые на практике до сих пор удовлетворительно не решены. Эти трудности состоят в том, что тепловые процессы развиваются в неоднородной среде, свойства которой зависят от температуры и изменяются по объему.

Основной закон теплопроводности

Для распространения теплоты в любом теле или пространстве необходимо наличие разности температур в различных точках тела. Это условие относится и к передаче теплоты теплопроводностью, при которой градиент температуры в различных точках тела не должен быть равен нулю.

Связь между количеством теплоты , проходящим за промежуток временичерез элементарную площадкуdS, расположенную на изотермической поверхности, и градиентом температуры устанавливается гипотезой Фурье, согласно которой

. (2.1)

Минус в правой части показывает, что в направлении теплового потока температура убывает и gradTявляется величиной отрицательной. Коэффициент пропорциональностиназывается коэффициентом теплопроводности или более кратко теплопроводностью. Справедливость гипотезы Фурье подтверждено многочисленными опытными данными, поэтому эта гипотеза в настоящее время носит название основного уравнения теплопроводности или закона Фурье.

Отношение количества теплоты, проходящего через заданную поверхность, ко времени называют тепловым потоком. Тепловой поток обозначают qи выражают в ваттах (Вт):

. (2.2)

Если относительное изменение температуры Т на расстоянии средней длины свободного пробега частиц l мало, то выполняется основной закон теплопроводности (закон Фурье): плотность теплового потока q пропорциональна градиенту температуры grad T, то есть

(2.3)

(где — коэффициент теплопроводности или просто теплопроводности)

Отношение теплового потока dqчерез малый элемент поверхности к площадиdSэтой поверхности называют поверхностной плотностью теплового потока (или вектором плотности теплового потока), обозначаютjи выражают в ваттах на квадратный метр (Вт/м2):

. (2.4)

Вектор плотности теплового потока направлен по нормали к поверхности в сторону убывания температуры. Векторы jиgradTлежат на одной прямой, но направлены в противоположные стороны.

Тепловой поток q, прошедший сквозь произвольную поверхностьS, находят из выражения

. (2.5)

Количество теплоты, прошедшее через эту поверхность в течение времени t, определяется интегралом

. (2.6)

Таким образом, для определения количества теплоты, проходящего через какую-либо произвольную поверхность твердого тела, необходимо знать температурное поле внутри рассматриваемого тела. Нахождение температурного поля и составляет основную задачу аналитической теории теплопроводности.

Физический смысл коэффициента теплопроводности

Вспомним ещё раз, что основным законом передачи тепла теплопроводностью является закон Фурье. Согласно этому закону количество тепла dQ, передаваемое посредством теплопроводности через элемент поверхности dF, перпендикулярный тепловому потоку, за время dпрямопропорционально температурному градиентуt/n, поверхности dF и времени d:

(3.1)

Коэффициент пропорциональности называется коэффициентом теплопроводности, при выражении Q в ккал/ч:

(3.2)

Таким образом, коэффициент теплопроводностипоказывает, какое количество тепла проходит вследствие теплопроводности в единицу времени через единицу поверхности теплообмена при падении температуры на 1 град на единицу длины нормали к изотермической поверхности.

Коэффициенты теплопроводности сплошных однородных сред зависят от физико-химических свойств вещества (структура вещества, его природа). Значения теплопроводности для многих веществ табулированы и могут быть легко найдены в справочной литературе.

Значения коэффициента теплопроводности для некоторых газов, жидкостей и твёрдых тел при атмосферном давлении,зависит от агрегатного состояния вещества (см. табл.), его атомно-молекулярного строения, температуры и давления, состава (в случае смеси или раствора) и т. д.].

Теплопроводность жидкостей и газов

Теплопроводность,один из видов переноса теплоты (энергии теплового движения микрочастиц) от более нагретых частей тела к менее нагретым, приводящий к выравниванию температуры. При теплопроводности перенос энергии в теле осуществляется в результате непосредственной передачи энергии от частиц (молекул, атомов, электронов), обладающих большей энергией, частицам с меньшей энергией.

Отклонения от закона Фурье могут появиться при очень больших значениях grad T (например, в сильных ударных волнах), принизких температурах(для жидкого гелия Не) и при высоких температурах порядка десятков и сотен тысяч градусов, когда в газах перенос энергии осуществляется не только в результате межатомных столкновений, но в основном за счёт излучения (лучистая теплопроводность). В разреженных газах, когда l сравнимо с расстоянием L между стенками, ограничивающими объём газа, молекулы чаще сталкиваются со стенками, чем между собой. При этом нарушается условие применимости закона Фурье, и само понятие локальной температуры газа теряет смысл. В этом случае рассматривают не процесс теплопроводности в газе, а теплообмен между телами, находящимися в газовой среде.

Теплопроводность газов.

Для идеального газа, состоящего из твёрдых сферических молекул диаметром d, согласно кинетической теории газов, справедливо следующее выражение

(3.4)

где — плотность газа,cv — теплоёмкость единицы массы газа при постоянном объёме, V — средняя скорость движения молекул. Поскольку J пропорциональна 1/р, а ~р (р — давление газа), то Т. такого газа не зависит от давления. Кроме того, коэффициент теплопроводности и вязкостисвязаны соотношением:. В случае газа, состоящего из многоатомных молекул, существенный вклад вдают внутренние степени свободы молекул, что учитывает соотношение:

  ,

где = ср/cv, ср— теплоёмкость при постоянном давлении. Вреальных газах коэффициент теплопроводности — довольно сложная функция температуры и давления, причём с ростом Т и р значениевозрастает. Для газовых смесейможет быть как больше, так и меньше коэффициента теплопроводности компонентов смеси, то есть теплопроводности - нелинейная функция состава.

Если газ неравномерно нагрет, т. е. температура в одной его части выше или ниже, чем в другой, то наблюдается выравнивание температуры: более нагретая часть охлаждается, тогда, как более холодная нагревается.

Очевидно, что это связано с потоком тепла от более нагретой части газа к более холодной. Это явление возникновения потока тепла в газе называется теплопро­водностью, В любом теле, в частности в газе, предоставленном самому себе, теплопроводность приводит к выравниванию темпера­тур, и этот процесс, конечно, нестационарный. Но часто встречают­ся и случаи, когда разность температур искусственно поддерживает­ся постоянной.

Например, в электрической лампе накаливания газ, находя­щийся непосредственно около накаленной нити, имеет высокую температуру (равную температуре самой нити), тогда как газ, прилегающий к стенкам стеклянного баллона лампы, обладает значительно более низкой температурой. Через некоторое время после включения лампы устанавливается постоянная разность тем­ператур между нитью и стенками. Это постоянство обеспечивается, с одной стороны, электрической энергией, подводимой к нити из электрической сети, с другой стороны — отдачей тепла от стенок лампы к окружающему ее воздуху. При этих условиях в газе, находящемся в лампе, устанавливается стационарный, т. е. не из­меняющийся со временем, поток тепла. Установившаяся стацио­нарная разность температур зависит от теплопроводности газа (для лампы накаливания надо иметь в виду, что кроме отвода тепла через газ в данном частном случае отвод тепла происходит главным образом в результате излучения).

В приведенном примере лампы расчет потока тепла представ­ляет большие трудности, связанные со сложной формой нити и сосуда, вследствие чего распределение температуры в газе тоже оказывается весьма сложным.

Чтобы найти количественные закономерности,

характеризующие процесс теплопроводности,

мы рас­смотрим более простую задачу

Пусть вдоль какого-нибудь на­правления в газе,

например, вдоль оси X, температура меняется от точки к точке,

т. е. является функцией v. в то время как в пло­скости, перпендикулярной

к этой оси, температура всюду одина­кова

Изменение температуры вдоль оси Xхарактеризуется градиентом температуры.

Смысл градиента температуры заключается в том, что он равен изменению температуры от одной точки к другой, отнесенному к единице расстояния между ними. Существова­ние градиента температуры и является необходимым условием для возникновения теплопроводности. Направление потока тепла совпадает с направлением падения температуры. Если возрастанию х (т. е.dx > 0) соответствует па­дение температуры (dТ<0), то тепло течет в направлении воз­растающегох: поток тепла направлен так, чтобы уменьшить суще­ствующий градиент температуры, который его вызвал. Опыт показывает, что поток теплаQ пропорционален градиенту темпера­туры (закон Фурье):(3.5)

При стационарных условиях количество тепла Q, протекающего в единицу времени через газ, равно мощности источника энергии, за счет которого поддерживается заданный градиент температуры. Эта мощность (обычно электрическая) и подлежит измерению при экспериментальном определении коэффициента теплопроводности. В тех случаях, когда газ, в котором существует градиент тем­пературы, предоставлен самому себе, т. е. к нему извне не под­водится энергия, теплопроводность приводит к выравниванию тем­пературы. Сначала мы и рассмотрим такуюнестационарную тепло­проводность. Как мы увидим, закон выравнивания температуры весьма напоминает процесс выравнивания концентрации посредст­вом диффузии.

Теплопроводность жидкости.

В исследованиях, посвященных теории теплопроводности жидкостей, можно увидеть три основных направления:

1. Вычисление кинетических коэффициентов средствами статистической физики.

2. Использование моделей теплового движения и механизмов переноса.

3. Полуэмпирический подход.

Рассмотрим первое из этих направлений.

Исторически первой попыткой расчета коэффициента теплопроводности путем использования аппарата статистической физики можно считать работу Энскога. В теории Энскога используется модель молекул - жестких шаров, которая позволяет ограничиться учетом лишь парных соударений молекул и тем самым воспользоваться схемой кинетического уравнения Больцмана.

Непосредственно к жидкостям метод Энскога может быть применен в

качестве первого приближения теплопроводности по газу т.к. схема кинетического уравнения Больцмана не содержит основного элемента, свойственного жидкому состоянию - взаимодействия коллектива молекул.

Второе направлениеиспользует различные представления модельного характера о природе теплового движения и механизмах переноса. Так, например, существует группа работ, в основу которой положена решеточная модель жидкости. В них предполагается, что тепловое движение молекул, в основном, сводится к колебательным движениям вокруг временных положений равновесия в квазикристаллических "ячейках". В соответствии с этим предполагается, что перенос тепла происходит за счет обмена энергией при непосредственном "столкновении" колеблющихся соседних молекул.

Теплопроводность жидкости предлагается рассчитывать по формуле

(3.6)

где νк- частота колебаний,aкол- амплитуда колебаний,

Далее рассмотрим работы, где использовано представление о колебательном характере теплового движения в жидкостях по аналогии с теорией Дебая для твердых тел, где перенос тепла осуществляется посредством гиперакустических колебаний среды (фононов). Здесь теплопроводность жидкости выражается соотношением:

(3.7)

где Uф- скорость звука, ℓф- средняя длина свободного пробега,

ρ – плотность.

Формула для жидкостей была предложена Л. Бриллиюэном в 1914 г.

Многие исследователи пользовались выражениями, которые являются упрощенными выражениями формулы для твердых тел Дебая. Первая в этом направлении работа была выполнена Н.П. Пашским. Формула Пашского может быть приведена к виду

(3.8)

где а-среднее расстояние между молекулами, L - характеристическая константа.

Эта формула аналогична формуле Дебая, если длина свободного пробега волн выражается соотношением

(3.9)

где b - эмпирический (поправочный) коэффициент.

Американский ученый Бриджмен предположил, что средняя длина свободного пробега волн ℓ равна среднему расстоянию между

молекулами а,

(3.10)

Для теплопроводности получается формула

(3.11)

где Uф- скорость звука в жидкости.

Попытка учесть роль внутренних колебательных степеней свободы была сделана Е. Боровиком. Им получена формула для теплопроводности

(3.12)

где r - радиус молекулы.

При оценке работ рассматриваемого направления, возникает вопрос:

"В какой степени корректно использование общей формулы Дебая для жидкостей?"

Экспериментальные данные показывают, что теплопроводность жидкостей тем больше, чем больше ее удельная теплоемкость CV. Следовательно, теплоемкость может входить в выражение для λ. Помимо этого, в жидкостях происходят явления, аналогичные тем, которые наблюдаются в твердых телах, а именно, коллективные колебания молекул распространяются со скоростью звука и область их распространения ограничивается "длиной свободного пробега".

Кроме того, представление о переносе тепла дебаевскими волнами отражает важную особенность жидкого состояния - коллективный характер колебаний части молекул жидкости (в отличие от газового состояния с хаотическиеми перескоками молекул).

Рассмотрим третье направление– полуэмпирические методы расчета теплопроводности жидкости.

В работе А.Миснара вывод формулы для теплопроводности сделан на основе общей формулы Дебая: λ ~ ρ ·Uф·СV·ℓф, выражающей зависимость коэффициента теплопроводности от плотности ρ, скорости звука U, удельной (объемной) теплоемкости СVи длины свободного пробега носителей энергии - фононов - ℓф.

По аналогии с приближенной формулой для скорости звука в твердом теле

(3.13)

А.Миснар предложил выразить скорость звука в жидкости через Ткип,

и плотность ρ, т.е

(3.14)

Однако сопоставление с экспериментом выявляет довольно значительное

расхождение с расчетом; при одинаковом числе атомов в молекуле отклонения тем больше, чем больше вязкость жидкости. Если ввести коэффициент динамической вязкости μ, то скорость звука можно представить следующей зависимостью Uф~ (Ткип/ρ)1/2 ·μ1/15.

В формуле Дебая осталось выразить произведение СV·ℓфчерез

физические характеристики жидкости. При одинаковом числе атомов

произведение СV·ℓф, с точностью до постоянного множителя, равно

Тогда формула для λ принимает следующий вид:

(3.15)

Пренебрегая членом, содержащим вязкость μ, Миснар получил следующее

выражение для расчета теплопроводности жидкости:

(3.16)

Множитель В можно считать постоянным для жидкостей, имеющих одинаковое число атомов в молекуле. Множитель В уменьшается с увеличением числа атомов в молекуле. Подбор величины В ≈ 90/N1/4. Тогда окончательный вид выражения для расчета теплопроводности жидкостей при нормальных условиях будет равна:

,Дж/(м·с·К) (3.17)

где Ткип– температура кипения; ρ - плотность при t = 0 C и атмосферном

давлении; Срo- удельная теплоемкость; N - число атомов в молекуле.

Расхождение с экспериментальными данными составляет менее 10%.

Заключение.

В своей работе я рассматривал теплопроводность жидкостей и газов.

В общем случае я выяснил, что коэффициент теплопроводности для

некоторых газов, жидкостей и твёрдых тел при атмосферном давлении, зависит от агрегатного состояния вещества (что видно, если посмотреть таблицу в моей курсовой работе, а лучше, к примеру, книгу о теплопроводности жидкостей и газов где приведены все газы и жидкости и подсчитан для некоторой температуры), его атомно-молекулярного строения, температуры и давления, состава (в случае смеси или раствора).

Если подробно рассматривать газа и жидкости , то как и для газа так и для жидкостей было сделано много различных опытов, впоследствии которых были получены формулы для определения.

Для различных газов, будь он, идеальный газ или реальный газ или ещё какой-то в конечном итоге видно что если к примеру взять газ идеальный, состоящий из твёрдых сферических молекул диаметром d, согласно кинетической теории газов, была получена конкретная формула для определения, если взять реальный газ, тодовольно сложная функция температуры и давления, причём с ростом Т и р значениевозрастает, это я рассмотрел как пример для идеального и реального газа, (существуют газовые смеси, газ, состоящий из многоатомных молекул, для определениянадо воспользоваться внутренними степенями свободы молекул, и другие примеры газов)

Теперь переду к теплопроводности жидкостей, как я уже говорил, было тоже

сделано множество опытов и получено, благодаря опытных данных, формулы для определения .Так вот в исследование посвященном

теплопроводности жидкостей, как я уже писал в своей курсовой работе можно увидеть три основных направления: 1.Вычисление кинетических коэффициентов средствами статистической физики;2. Использование моделей теплового движения и механизмов переноса;3. Полуэмпирический подход. Не буду говорить подробно о каждом из них, так как более подробно я рассматривал это в своей курсовой работе, но если сказать кратко, то все эти направления были сделаны множеством учёных, основанных на предыдущих работах своих предшественников, и каждый привносил что новое для определения , основываясь. Опять же на различных представлениях. Как видно, опять же из моей курсовой работе, именно для определениядля жидкостей было получено и вправду большое количество формул для разных случаев определенияжидкостей.

Список используемых источников

Нащокин В.В. Техническая термодинамика и теплопередача

А.К. Кикоин, И.К. Кикоин Общий Курс Физики – Молекулярная Физика

Миснар А. Теплопроводность твердых тел, жидкостей, газов и их

композиций.

Интернет - wikipendia.ru (интернет энциклопедия)

19

studfiles.net

4.2 Виды теплообмена

В естественных условиях передача внутренней энергии тем теплообмена всегда происходит в строго определенном направлении: от тела с более высокой температурой к телу с более низкой температурой. Когда же температуры тел становятся одинаковыми, наступает состояние теплового равновесия: тела обмениваются энергией в равных количествах.

Совокупность явлений, связанных с переходом тепловой энергии из одних частей пространства в другие, который обусловлен различием температур этих частей, называют в общем случае теплообменом. В природе существует несколько видов теплообмена. Существуют три способа передачи количества теплоты от одного тела к другому: теплопроводность, конвекция и излучение.

1. Теплопроводность.

Поместим в пламя спиртовки конец металлического стержня. К стержню на равных расстояниях друг от друга прикрепим с помощью воска несколько спичек. При нагревании одного конца стержня восковые шарики плавятся, и спички одна за другой падают. Это свидетельствует о том, что, внутренняя энергия передается от одного конца стержня к другому.

Рисунок 1 Демонстрация процесса теплопроводности

Выясним причину этого явления.

При нагревании конца стержня интенсивность движения частиц, из которых состоит металл, возрастает, их кинетическая энергия увеличивается. Вследствие хаотичности теплового движения они сталкиваются с более медленными частицами соседнего холодного слоя металла и передают им часть своей энергии. В результате этого внутренняя энергия передается от одного конца стержня к другому.

Передача внутренней энергии от одной части тела к другой в результате теплового движения его частиц называется теплопроводностью.

2. Конвекция

Передача внутренней энергии путем теплопроводности происходит главным образом в твердых телах. В жидких и газообразных телах передача внутренней энергии осуществляется и другими способами. Так, при нагревании воды плотность ее нижних, более горячих, слоев уменьшается, а верхние слои остаются холодными и плотность их не изменяется. Под действием сил тяжести более плотные холодные слои воды опускаются вниз, а нагретые поднимаются вверх: происходит механическое перемешивание холодных и нагретых слоев жидкости. Вся вода прогревается. Аналогичные процессы происходят и в газах.

Передача внутренней энергии вследствие механического перемешивания нагретых и холодных слоев жидкости или газа называется конвекцией.

Явление конвекции играет большую роль в природе и технике. Конвекционные потоки вызывают постоянное перемешивание воздуха в атмосфере, благодаря чему состав воздуха во всех местах Земли практически одинаков. Конвекционные течения обеспечивают непрерывное поступление свежих порций кислорода к пламени в процессах горения. Вследствие конвекции происходит выравнивание температуры воздуха в жилых помещениях при отоплении, а также воздушное охлаждение приборов при работе различной радиоэлектронной аппаратуры.

Рисунок 2 Обогрев и выравнивание температуры воздуха в жилых помещениях при отоплении вследствие конвекции

3. Излучение

Передача внутренней энергии может происходить и путем электромагнитного излучения. Это легко обнаружить на опыте. Включим в сеть электронагревательную печь. Она хорошо обогревает руку, когда мы подносим ее не только сверху, но и сбоку печи. Теплопроводность воздуха очень мала, а конвекционные потоки поднимаются вверх. В этом случае энергия от раскаленной электрическим током спирали в основном передается способом излучения.

Передача внутренней энергии путем излучения осуществляется не частицами вещества, а частицами электромагнитного поля — фотонами. Они не существуют внутри атомов «в готовом виде», подобно электронам или протонам. Фотоны возникают при переходе электронов из одного электронного слоя в другой, расположенный ближе к ядру, и при этом уносят с собой определенную порцию энергии. Достигая другого тела, фотоны поглощаются его атомами и целиком передают им свою энергию.

Передача внутренней энергии от одного тела к другому вследствие ее переноса частицами электромагнитного поля — фотонами, называется электромагнитным излучением. Любое тело, температура которого выше температуры окружающей среды, излучает свою внутреннюю энергию в окружающее пространство. Количество энергии, излучаемое телом в единицу времени, резко возрастает с повышением его температуры.

Рисунок 3 Опыт, иллюстрирующий передачу внутренней энергии горячего чайника через излучение

Рисунок 4 Излучение от Солнца

4. Явления переноса в термодинамически неравновесных системах. Теплопроводность

В термодинамически неравновесных системах возникают особые необратимые процессы, называемые явлениями переноса, в результате которых происходит пространственный перенос энергии, массы, количества движения. К явлениям переноса относятся теплопроводность (обусловлена переносом энергии), диффузия (обусловлена переносом массы) и внутреннее трение (обусловлено переносом количества движения). Для этих явлений перенос энергии, массы и количества движения всегда происходит в направлении, обратном их градиенту, т. е. система приближается к состоянию термодинамического равновесия.

Если в одной области газа средняя кинетическая энергия молекул больше, чем в другой, то с течением времени вследствие постоянных столкновений молекул происходит процесс выравнивания средних кинетических энергий молекул, т. е., иными словами, выравнивание температур.

Процесс передачи энергии в форме теплоты подчиняется закону теплопроводности Фурье: количество теплоты q, которое переносится за единицу времени через единицу площади, прямо пропорционально - градиенту температуры, равному скорости изменения температуры на единицу длины х в направлении нормали к этой площади:

, (1)

где λ — коэффициент теплопроводности или теплопроводность. Знак минус показывает, что при теплопроводности энергия переносится в сторону убывания температуры. Теплопроводность λ равна количеству теплоты, переносимой через единицу площади за единицу времени при температурном градиенте, равном единице.

-

Очевидно, что теплота Q, прошедшая посредством теплопроводности через площадь S за время t, пропорциональна площади S, времени t и градиенту температуры :

Можно показать, что

(2)

где сV — удельная теплоемкость газа при постоянном объеме (количество теплоты, необходимое для нагревания 1 кг газа на 1 К при постоянном объеме), ρ — плотность газа, <υ> — средняя арифметическая скорость теплового движения молекул, <l> — средняя длина свободного пробега.

Т.е. видно от каких причин зависит количество энергии, передаваемое путем теплопроводности, например, из комнаты через стенку на улицу. Очевидно, что из комнаты на улицу передается энергии тем больше, чем больше площадь стенки S, чем больше разность температур Δt в комнате и на улице, чем больше времени t происходит теплообмен между комнатой и улицей и чем меньше толщина стенки (толщина слоя вещества) d: ~.

Кроме того, количество энергии, передаваемое путем теплопроводности, зависит от материала, из которого изготовлена стенка. Различные вещества при одинаковых условиях передают путем теплопроводности разное количество энергии. Количество энергии, которое передается путем теплопроводности через каждую единицу площади слоя вещества за единицу времени при разности температур между его поверхностями в 1°С и при его толщине в 1 м (единицу длины), может служить мерой способности вещества передавать энергию путем теплопроводности. Эту величину называют коэффициентом теплопроводности. Чем больше коэффициент теплопроводности λ, тем больше энергии передается слоем вещества. Наибольшей теплопроводностью обладают металлы, несколько меньшей – жидкости. Наименьшей теплопроводностью обладает сухой воздух и шерсть. Этим и объясняются теплоизолирующие свойства одежды у человека, перьев у птицы и шерсти у животных.

studfiles.net

• 
  Сварка в среде углекислого газа
• 
  Газопламенное напыление металла
• 
  Фото газель фура
• 
  Модель газель 4 метра
• 
  Грузоподъемность грузовая газель
• 
  Тормозная система газ 66 схема и ремонт
• 
  Сжиженные газы
• 
  Газ топливный
• 
  Газ 2784
• 
  Характеристики газель бизнес
• 
  Газель характеристика