Что называется теплообменом: Какой процесс называется теплообменом

Содержание

Виды теплообмена | Физика

Внутреннюю энергию тела можно изменить двумя способами: путем совершения работы и путем теплообмена. Теплообмен может осуществляться по-разному. Различают три вида теплообмена: теплопроводность, конвекция и лучистый теплообмен.

1. Теплопроводность — это вид теплообмена, при котором происходит непосредственная передача энергии от частиц более нагретой части тела к частицам его менее нагретой части При теплопроводности само вещество не перемещается вдоль тела — переносится лишь энергия.

Обратимся к опыту. Закрепим в штативе толстую медную проволоку, а к проволоке прикрепим воском (или пластилином) несколько гвоздиков (рис. 63). При нагревании свободного конца проволоки в пламени спиртовки воск плавится и гвоздики постепенно отпадают от проволоки. Причем сначала отпадают те, которые расположены ближе к пламени, затем по очереди все остальные. Объясняется это следующим образом.

Сначала увеличивается скорость движения тех частиц металла, которые ближе к пламени. Температура проволоки в этом месте повышается. При взаимодействии этих частиц с соседними скорость последних также увеличивается, в результате чего повышается температура следующей части проволоки. Затем увеличивается скорость движения следующих частиц и т. д., пока не прогреется вся проволока.

Различные вещества имеют разную теплопроводность: у одних она больше, у других — меньше. Из жизненного опыта известно, что если, например, взять какой-либо железный предмет (допустим, гвоздь) и начать нагревать его в огне, то долго удерживать его в руке мы не сможем. И наоборот, горящую спичку можно держать до тех пор, пока пламя не коснется руки. Это означает, что дерево обладает меньшей теплопроводностью, чем железо.

Наибольшей теплопроводностью обладают металлы, особенно серебро и медь. У жидкостей (за исключением расплавленных металлов) теплопроводность невелика. У газов она еще меньше, так как молекулы их находятся сравнительно далеко друг от друга и передача энергии от одной частицы к другой затруднена.

Если теплопроводность различных веществ сравнить с теплопроводностью меди, то окажется, что у железа она примерно в 5 раз меньше, у воды — в 658 раз меньше, у пористого кирпича — в 840 раз меньше, у свежевыпавшего снега — почти в 4000 раз меньше, у ваты, древесных опилок и овечьей шерсти — почти в 10 ООО раз меньше, а у воздуха она примерно в 20 000 раз меньше.

Плохая теплопроводность шерсти, пуха и меха (обусловленная наличием между их волокнами воздуха) позволяет телу животного сохранять вырабатываемую организмом энергию и тем самым защищаться от охлаждения. Защищает от холода и жировой слой, который имеется у водоплавающих птиц, китов, моржей, тюленей и некоторых других животных.

2. Конвекция — это теплообмен в жидких и газообразных средах, осуществляемый потоками (или струями) вещества.

Общеизвестно, например, что жидкости и газы обычно нагревают снизу. Чайник с водой ставят на огонь, радиаторы отопления помещают под окнами около пола. Случайно ли это?

Поместив руку над горячей плитой или над включенной лампой, мы почувствуем, что от плиты или лампы вверх поднимаются теплые струи воздуха. Эти струи могут даже вращать небольшую бумажную вертушку, помещенную над лампой (рис. 64). Откуда берутся эти струи?

Часть воздуха, которая соприкасается с плитой или лампой, нагревается и вследствие этого расширяется. Ее плотность становится меньше, чем у окружающей (более холодной) среды, и под действием архимедовой (выталкивающей) силы она начинает подниматься вверх. Ее место внизу заполняет холодный воздух. Через некоторое время, прогревшись, этот слой воздуха также поднимается вверх, уступая место следующей порции воздуха, и т. д. Это и есть конвекция.

Точно так же переносится энергия и при нагревании жидкости. Чтобы заметить перемещение слоев жидкости при нагревании, на дно стеклянной колбы с водой опускают кристаллик красящего вещества (например, перманганата калия) и колбу ставят на огонь. Через некоторое время нагретые нижние слои воды, окрашенные перманганатом калия в фиолетовый цвет, начинают подниматься вверх (рис. 65). На их место приходит холодная вода, которая, прогревшись, также начинает подниматься вверх, и т. д. Постепенно вся вода оказывается нагретой. Именно благодаря конвекции происходит нагревание воздуха и в наших жилых комнатах (рис. 66).

Будут ли прогреваться воздух и жидкость, если их нагревать не снизу, а сверху? Обратимся к опыту. Поместив в пробирку кусочек льда и придавив его гайкой или металлической сеточкой, нальем туда же холодную воду. Нагревая ее сверху, можно довести верхние слои воды до кипения (рис. 67), между тем как нижние слои воды останутся холодными (и даже лед там не растает). Объясняется это тем, что при таком способе нагревания конвекции не происходит. Нагретым слоям воды некуда подниматься: ведь они и так уже наверху. Нижние же (холодные) слои так и останутся внизу. Правда, вода может прогреться благодаря теплопроводности, однако она очень низкая, так что пришлось бы долго ждать, пока это произошло бы.

Точно так же можно объяснить, почему не прогревается воздух, находящийся в пробирке, которая изображена на рисунке 68. Горячим он становится лишь сверху, внизу же он остается холодным.

Опыты, изображенные на рисунках 67 и 68, показывают не только то, что жидкости и газы следует нагревать снизу, но и то, что у них очень плохая теплопроводность.

3. Лучистый теплообмен — это теплообмен, при котором энергия переносится различными лучами. Это могут быть солнечные лучи, а также лучи, испускаемые нагретыми телами, находящимися вокруг нас.

Так, например, сидя около камина или костра, мы чувствуем, как тепло передается от огня нашему телу. Однако причиной такой теплопередачи не может быть ни теплопроводность (которая у воздуха, находящегося между пламенем и телом, очень мала), ни конвекция (так как конвекционные потоки всегда направлены вверх). Здесь имеет место третий вид теплообмена —лучистый теплообмен.

Возьмем теплоприемник — прибор, представляющий собой плоскую круглую коробочку, одна сторона которой отполирована, как зеркало, а другая покрыта черной матовой краской. Внутри коробочки находится воздух, который может выходить через специальное отверстие. Соединим теплоприемник с жидкостным манометром (рис. 69) и поднесем к теплоприемнику электрическую плитку или кусок металла, нагретый до высокой температуры. Мы заметим, что столбик жидкости в манометре переместится. Но это означает, что воздух в теплоприемнике нагрелся и расширился. Нагревание воздуха в теплоприемнике можно объяснить лишь передачей ему энергии от нагретого тела. Каким образом передавалась эта энергия? Ясно, что не теплопроводностью, так как между нагретым телом и теплоприемником находится воздух, обладающий малой теплопроводностью. Не было здесь и конвекции: ведь теплоприемник расположен не над нагретым телом, а рядом с ним. Энергия в данном случае передавалась с помощью невидимых лучей, испускаемых нагретым телом. Эти лучи называют тепловым излучением.

С помощью теплового излучения (как видимого, так и невидимого) передается на Землю и солнечная энергия. Отличительной особенностью этого вида теплообмена является возможность осуществления через вакуум.

Тепловое излучение испускают все тела: электрическая плитка, лампа, земля, стакан с чаем, тело человека и т. д. Но у тел с низкой температурой оно слабое. И наоборот, чем выше температура тела, тем больше энергии оно передает путем излучения.

Когда излучение, распространяясь от тела-источника, достигает других тел, то часть его отражается, а часть ими поглощается. При поглощении энергия теплового излучения превращается во внутреннюю энергию тел, и они нагреваются.

Светлые и темные поверхности тел поглощают излучение по-разному. Если теплоприемник (см. рис. 69) повернуть к излучающему телу сначала черной, а затем блестящей поверхностью, то столбик жидкости в манометре в первом случае переместится на большее расстояние, чем во втором. Это показывает, что тело с темной поверхностью лучше поглощает энергию (и, следовательно, сильнее нагревается), чем тело со светлой или зеркальной поверхностью.

Тела с темной поверхностью не только лучше поглощают, но и лучше излучают энергию. Больше излучая, они и остывают быстрее. Например, в темном чайнике горячая вода остывает быстрее, чем в светлом.

Способность по-разному поглощать энергию излучения находит широкое применение в технике. Например, воздушные шары и крылья самолетов часто красят серебристой краской, чтобы они меньше нагревались солнечными лучами. Если же нужно использовать солнечную энергию (например, для нагревания некоторых приборов, установленных на искусственных спутниках), то эти устройства окрашивают в темный цвет.

1. Перечислите виды теплообмена. 2. Что такое теплопроводность? У каких тел она лучше, у каких хуже? 3. Как вы думаете, о чем свидетельствует опыт, изображенный на рисунке 70? 4. Что такое конвекция? 5. Почему жидкости и газы нагревают снизу? 6. Почему конвекция невозможна в твердых телах? 7. Какой вид теплообмена может осуществляться через вакуум? 8. Как устроен теплоприемник? 9. Какие тела лучше и какие хуже поглощают энергию теплового излучения? 10. Почему в светлом чайнике горячая вода дольше не остывает, чем в темном?

Экспериментальные задания. 1. Находясь дома, на улице или в транспорте, проверьте, какие предметы на ощупь кажутся более холодными. Что вы можете сказать об их теплопроводности? Составьте на основе своих наблюдений ряд из названий материалов в порядке возрастания их теплопроводности. 2. Включите электрическую лампу и поднесите к ней (не касаясь лампы) руку. Что вы чувствуете? Какой из видов теплообмена происходит в данном случае? 3. Греет ли шуба? Для выяснения этого возьмите термометр и, заметив его показание, закутайте в шубу. Спустя полчаса выньте его. Изменились ли показания термометра? Почему?

Почему так важен расчет сопряженного теплообмена?

11.02.2020

Дмитрий Евстратов

Для того, чтобы описать данный процесс и дать ему точное определение, обратимся к простому примеру. Представим, что перед нами разведен костер. Энергия, которая выделяется в процессе горения дров, передается в окружающую среду несколькими способами. Самый очевидный способ передачи энергии в данном случае — это конвекция, то есть самопроизвольное перемешивание струй жидкостей или газов. Подобный процесс можно ощутить на себе, поднеся руки на безопасное расстояние непосредственно над костром. Прогретый теплый воздух от костра будет подниматься вверх, что мы и почувствуем. Расположившись на некотором отдалении от огня можно ощутить на себе другой способ передачи энергии — это излучение. Данный процесс фактически представляет собой преобразование внутренней энергии тела в электромагнитные колебания.

Любое тело или объект, температура которого выше абсолютного нуля, излучают электромагнитные колебания. Интенсивность теплового излучения, вызванного соответствующими колебаниями, напрямую зависит от материала, температуры тела, а также состояния поверхности, с которой происходит излучение. Такое достаточно непростое явление, обычно, мы называем «жар». Теперь представим, что мы решили что-нибудь приготовить на открытом огне используя, например, шампур. Нагреваясь при непосредственном контакте с огнем, а также посредством конвекции, объект на шампуре начнет нагреваться, как и сам шампур, на котором он расположен. Мы, в свою очередь, почувствуем нагрев рукой благодаря такому явлению, как теплопроводность. Теплопроводностью называется процесс переноса внутренней энергии от более нагретых частей тела к менее нагретым.

Различные сочетания и комбинации данных процессов называются сопряженным теплообменом. Как мы уже убедились, подобные процессы возникают постоянно и повсеместно, какое бы явление или объект мы не рассмотрели — везде присутствует передача энергии в том или ином виде. Процесс приготовления пищи, работа любых электрических, осветительных приборов, которые нас окружают (даже чашка кофе или чая, стоящая рядом с вами на столе) скрывают в себе множество явлений с точки зрения термодинамики.
Охлаждение электронных компонентов ноутбуков, компьютеров или серверных стоек — не самая простая задача, которая также связана с передачей большого количества энергии и, как следствие, тепла. Сложность подобной задачи заключается в крайне ограниченном пространстве, в которое требуется поместить все необходимые компоненты, платы, проложить кабели и после обеспечить эффективное охлаждение всех составляющих.

Даже в случае достаточно примитивных приборов или изделий процессы не всегда можно описать сходу и определить, как именно та или иная часть будет испытывать тепловую нагрузку, тем более выразить это в численном виде. А что, если речь зайдет о более сложных устройствах? Например, двигатель внутреннего сгорания. Помимо преобразования энергии сгорания топлива в механическую работу он производит достаточно много тепла, которое он же излучает в подкапотное пространство. Лопатка турбины подвержена тепловым нагрузкам от нагретого сжатого воздуха. Подобные нагрузки могут привести к необратимым последствиям, а именно термодеформациям и выходом из строя установки в целом. Во избежание повышенных температур она должна охлаждаться воздухом изнутри.

В подобных ситуациях необходимо решать сложную инженерную задачу — задачу сопряженного теплообмена. Как мы выяснили ранее, само определение подразумевает комбинацию из нескольких явлений теплопередачи разной природы. Большая часть задач с которой приходится сталкиваться инженерам, так или иначе, связана с теплопроводностью в твердых телах и конвекцией в жидкостях или газах. Любое из подобных явлений как по отдельности, так и в различных сочетаниях, можно описать некой математической моделью и попытаться решить аналитически. Однако для решения аналитической задачи придется вводить достаточно много ограничений и упрощений.

С одной стороны, решая простую задачу передачи тепла от одной нагретой стенки с постоянной температурой к другой через, например, объем холодной жидкости или газа, мы можем достаточно точно определить необходимые параметры на второй нагреваемой стенке. А если представить, что температура источника тепла, т. е. первой стенки, непостоянна и распределена по ее площади неравномерно? Здесь же можно добавить движение текучей среды между пластинами. Задача с одной стороны усложняется в разы, а с другой стороны представляет собой типичный процесс охлаждения. Например чип, расположенный на печатной плате, тепло отводимое от радиатора которого не должно критическим образом влиять на нагрев соседних компонентов. В итоге мы получаем два пути решения задачи. Первое — мы вводим дополнительные упрощения, усредняем величины по площадям, объемам, пренебрегаем теми или иными условиями, исключаем временной домен. Решение получается достаточно быстрое, но значительно отличающееся по результатам от реальной картины, которую мы бы могли наблюдать при включенном изделии в рабочем режиме. Второе решение — используем численное моделирование, которое в подобных задачах является практически незаменимым решением.

Используя методы инженерного анализа относительно простыми и решаемыми становятся проблемы перегрева и критических тепловых нагрузок, которые изделие может испытывать при определенных условиях окружающей среды, или при непредвиденных поломках. Перед инженером открывается возможность исследовать проектируемое устройство практически на любых режимах работы при любых условиях окружающей среды. В итоге складывается полная картина поведения изделия даже на этапе создания концепта и проработки основного конструктива. Данные исследования позволяют направить вектор разработки изделия в сторону надежного, отвечающего всем требованиям готового продукта, работа которого уже неоднократно была смоделирована виртуально и затем лишь подтверждена испытаниями.

Задачи, связанные с определением прочностных характеристик изделия, которое подвергается высоким тепловым нагрузкам, обязательно должны быть дополнены анализом на термоупругое состояние. Многие механические свойства материалов напрямую зависят от температуры. Ее значительное изменение может привести к возникновению дополнительных напряжений и деформаций, вызванных тепловыми нагрузками. Подобные «мультифизичные» задачи уже практически не представляется возможным решить аналитически, а любые допущения и упрощения могут привести к необратимым последствиям в процессе эксплуатации.

У каждого изделия свой набор материалов с определенными механическими свойствами, а также различные режимы работы и условия эксплуатации к которым оно должно быть приспособлено заранее.
Поэтому анализ сопряженного теплообмена — это неотъемлемый этап проектирования практически любого изделия.

Поделиться в соц.сетях

Подписаться на рассылку

Раз в месяц мы рассылаем электронный журнал, где в удобном структурированном виде публикуем свежие видео-стримы, статьи и анонсы событий

Инженерные сети.

Лекция 5. Теплопередача, закон Фурье, теплопроводность, конвекция, излучение

Тема: Теплопередача, закон Фурье, теплопроводность, конвекция, излучение (2 часа)

План лекции

1.Виды теплопередачи

2.Теплопроводность

3.Конвекция, излучение

Теория теплообмена — это наука о процессах переноса теплоты. С теплообменом связаны многие явления, наблюдаемые в природе и технике. Ряд важных вопросов проектирования и строительства зданий и сооружений решается на основе теории теплообмена или некоторых ее положений. Знание законов теплообмена позволяет инженеру-строителю увязать толщину и материал ограждающих конструкций с отопительными устройствами, разработать новые строительные материалы и конструкции, более экономичные и способные надежно защищать человека от холода, решить и другие вопросы, которые возникают в процессе развития строительной техники. Теплообмен представляет собой сложный процесс, который можно расчленить на ряд простых процессов. Различают три элементарных принципиально отличных один от другого процесса теплообмена — теплопроводность, конвекцию и тепловое излучение. » Процесс теплопроводности происходит при непосредственном соприкосновении (соударении) частиц вещества (молекул, атомов и свободных электронов), сопровождающемся обменом энергии и их теплового движения. Такой процесс теплообмена может происходить в любых телах, но механизм переноса теплоты зависит от агрегатного состояния тела. Теплопроводность жидких и в «особенности газообразных тел незначительна. Твердые тела обладают различной теплопроводностью. Тела с малой теплопроводностью называют теплоизоляционными.

Процесс конвекции происходит лишь в жидкостях и газах и представляет собой перенос теплоты в результате перемещения и перемешивания частиц жидкости или газа. Конвекция всегда сопровождается теплопроводностью.

Если перемещение частиц жидкости или газа обусловливается разностью их плотностей, то такое перемещение называют естественной конвекцией. При естественной конвекции нагретые объемы теплоносителя поднимаются, охладившиеся — опускаются. Например, отопительный прибор системы центрального отопления соприкасается с воздухом, который получает от него теплоту и поднимается, уступая место более холодному воздуху. Таким образом, теплота вместе с воздухом передается от прибора в другие части помещения.

Если жидкость или газ перемещается с помощью насоса, вентилятора, эжектора и других устройств, то такое перемещение называют вынужденной конвекцией. Теплообмен происходит в этом случае значительно интенсивнее, чем при естественной конвекции.

Процесс теплового излучения состоит в переносе теплоты от одного тела к другому электромагнитными волнами, возникающими в результате сложных молекулярных и атомных возмущений. Лучистая энергия возникает в телах за счет других видов энергии, главным образом тепловой. Электромагнитные волны распространяются от поверхности тела во все стороны. Встречая на своем пути другие тела, лучистая энергия может ими частично поглощаться, превращаясь снова в теплоту (повышая их температуру).

Закон Фурье (1822 г.) является основным законом теплопроводности, устанавливающим прямую пропорциональность между поверхностной плотностью теплового потока и температурным градиентом:

где l — множитель пропорциональности, который называется коэффициентом теплопроводности, Вт/(м-К).

Знак минус указывает, что вектор теплового потока направлен в сторону, противоположную температурному градиенту. Из уравнения видно, что коэффициент теплопроводности количественно равен удельному тепловому потоку при температурном градиенте, равном единице (изменение температуры в 1°С на единицу длины).

Коэффициент теплопроводности является важной теплофизической характеристикой вещества: чем больше l, тем большей теплопроводностью обладает вещество. Коэффициент теплопроводности зависит от природы вещества, его структуры, влажности, наличия примесей, температуры и других факторов.

В практических расчетах коэффициент теплопроводности строительных материалов надлежит принимать по СНиП П-3-79** «Строительная теплотехника».

Контрольные вопросы:

1. Что называется теплообменом?

2. Назовите способы переноса теплоты в пространство и теплообмена между телами.

3. Что представляет собой процесс теплопроводности?

4. Какой процесс теплообмена называется теплопередачей?

5. Как называется сочетание различных видов теплообмена?

Рекомендуемая литература

Тихомиров К.В., Сергиенко З.С. Теплотехника, теплоснабжение и

вентиляция: Учебник для вузов. — М.: Стройиздат, 1991. — 475 с., ил. Внутренние санитарно-технические устройства в 3 ч. Ч.1. Отопление. Ю.Н.Саргин и др. / Под редакцией И.Г.Староверова и Ю.И.Шиллера. 4-е изд. — М.: Стройиздат, 1989. — 346 с., ил. (Спр. Проект.)

Богословский В.Н., Сканави А. Н. Отопление. Учебник для вузов. — М.:

ТЕОРИЯ ПЕРЕДАЧИ И ПРИЁМА ЭНЕРГИИ В ФИЗИЧЕСКИХ ОБЪЕКТАХ И МЕЖДУ НИМИ.

ТЕОРИЯ
ПЕРЕДАЧИ И ПРИЁМА ЭНЕРГИИ В ФИЗИЧЕСКИХ ОБЪЕКТАХ И МЕЖДУ НИМИ.

E-mail: [email protected] Физика Главная

ОГЛАВЛЕНИЕ

1. Существующие взгляды на тепловые
процессы и состояния в физических телах.

1.1.
Теплота.

1.2.
Нагревание.

1.3.
Охлаждение.

1.4.
Теплопроводность.

1.5.
Температура.

1.6. Энергия.

2. Современная
теория процессов передачи и приёма тепла.

3. Несостоятельность
представлений и теоретических взглядов о тепловых процессах.

4. Альтернативные
взгляды на тепловые процессы и состояния в физических объектах.

4.1.
Теплота.

4.2.
Нагревание и охлаждение.

4.3.
Теплопроводность.

4.4.
Температура.

4.5. Энергия.

5. Теория
передачи и приёма энергии физическими телами.

6. Общие
выводы.

7. ССЫЛКИ
НА ИСТОЧНИКИ.

A1. Существующие взгляды на тепловые
процессы и состояния в физических телах.

Теплопередача – это учение о процессах переноса теплоты.
Самопроизвольный процесс переноса теплоты в пространстве с неоднородным полем
температуры называют теплообменом
[1].

Что нагретый солнцем камень к вечеру
остывает, знали ещё неандертальцы. Но в современной формулировке более широкой
информации о процессах нагревания и
остывания тел нет. Теоретическая физика должна ответить на два вопроса: почему
и как происходит нагревание и остывание всех физических объектов? Рассмотрим
процессы и состояния в веществах, которые легли в основу официальной
современной теории передачи и приёма тепла.

1.1. Теплота.

Внутренняя энергия термодинамической системы может
изменяться двумя способами: посредством совершения работы над системой и посредством теплообмена с окружающей средой [2].
Энергия, которую получает или теряет тело в процессе теплообмена с окружающей
средой, называется количеством
теплоты́ или просто теплотой. Теплота — это одна из основных термодинамических
величин в классической феноменологической термодинамике. Количество теплоты
входит в стандартные математические формулировки первого и второго начал термодинамики.

Для изменения внутренней энергии системы
посредством теплообмена также необходимо совершить работу. Однако это не
механическая работа, которая связана с перемещением границы макроскопической
системы. На микроскопическом уровне эта работа осуществляется силами,
действующими между молекулами на границе контакта более нагретого тела с менее нагретым. Фактически при теплообмене энергия передаётся
посредством электромагнитного взаимодействия при
столкновениях молекул. Поэтому с точки зрения молекулярно-кинетической теории
различие между работой и теплотой проявляется только в том, что совершение
механической работы требует упорядоченного движения молекул на макроскопических
масштабах, а передача энергии от более нагретого тела менее нагретому
этого не требует.

Энергия может также передаваться излучением от одного тела к другому и без
их непосредственного контакта.

Количество теплоты не является
функцией состояния, и количество теплоты, полученное системой в
каком-либо процессе, зависит от способа, которым она была
переведена из начального состояния в конечное.

Единица измерения в Международной
системе единиц (СИ) — джоуль. Как единица измерения теплоты
используется также калория. В Российской Федерации
калория допущена к использованию в качестве внесистемной единицы без ограничения
срока с областью применения «промышленность».

1.2. Нагревание.

Нагрев – искусственный либо естественный
процесс повышения температуры материала/тела, либо за счёт внутренней
энергии, либо за счёт подведения к нему энергии извне [3]. Для подведения энергии извне используется специальное
устройство — нагреватель (нагревательный элемент), того или
иного вида и конструкции.

Нагрев тела происходит за счёт
увеличения скорости движения
либо колебаний молекул и атомов, составляющих его. Движение
молекул и атомов в разных телах происходит по-разному. Нагрев газов —
молекулы газов беспорядочно движутся с большими скоростями (сотни м/с) по всему объёму газа. Сталкиваясь, они отскакивают друг
от друга, изменяя величину и направление скоростей.

Нагрев жидкостей —
молекулы жидкости колеблются около равновесных положений (так как расположены
почти вплотную друг к другу) и сравнительно редко перескакивают из одного
равновесного положения в другое. Движение молекул в жидкостях является менее
свободным, чем в газах, но более свободным, чем в твердых телах.

В твёрдых телах
частицы колеблются около положения равновесия. С ростом температуры
скорость частиц увеличивается, поэтому хаотическое движение частиц принято
называть тепловым. Нагрев тела зависит от
его теплоёмкости и теплопроводности.

Нагревание
в химической технологии в основном используют для
ускорения массообменных и химических процессов, температурные условия протекания которых определяется
выбором теплоносителя и способа нагрева:

Индукционный
нагрев — метод бесконтактного нагрева токами высокой частоты
электропроводящих материалов.

Диэлектрический
нагрев — метод нагрева диэлектрических материалов переменным во времени
электрическим полем.

Анодный
электролитный нагрев — теплофизические и электрохимические процессы на
поверхности анода, связанные с локальным вскипанием жидкости за счет выделения джоулева тепла. Используется для скоростного упрочнения
поверхностей деталей, скоростной цементации, азотирования, борирования,
нитроцементации и/или закалки в рабочем электролите.
Анодная электрохимико-термическая обработка сталей и
сплавов позволяет увеличить поверхностную твердость, износостойкость,
коррозионную устойчивость.

1.3. Охлаждение.

Охлаждение — понижение температуры тела, воздуха или тела теплокровных [4]. Гипотермия — состояние
организма, при котором температура падает ниже нормы. Криобиология — раздел
биологии, изучающий воздействие холода на живые организмы. Криотерапия —
лечение холодом. Терморегуляция — способность организма поддерживать
температуру тела.

Охлаждение — передача тепловой энергии посредством теплового излучения,
конвекции и теплопроводности. Искусственное охлаждение — понижение температуры
(получение искусственного холода) тела или среды с помощью специальной техники,
приспособлений и устройств.

1.4. Теплопроводность.

Теплопроводность — способность
материальных тел проводить энергию (теплоту) от более нагретых частей тела к
менее нагретым частям тела путём хаотического движения частиц тела
(атомов, молекул, электронов и т. п) [5]. Такой теплообмен может происходить в
любых телах с неоднородным распределением температур, но механизм переноса теплоты будет зависеть
от агрегатного состояния вещества.

Теплопроводностью
называется также количественная характеристика способности тела проводить тепло. В сравнении тепловых цепей с
электрическими это аналог проводимости.

Количественно способность
вещества проводить тепло характеризуется коэффициентом
теплопроводности. Эта характеристика равна количеству теплоты, проходящему через однородный образец
материала единичной длины и единичной площади за единицу времени при единичной
разнице температур (1 К). В Международной системе единиц (СИ) единицей
измерения коэффициента теплопроводности является Вт/(м·K).

Исторически считалось, что
передача тепловой энергии связана с перетеканием
гипотетического теплорода от одного тела к другому. Однако с развитием
молекулярно-кинетической теории явление теплопроводности получило своё
объяснение на основе взаимодействия частиц вещества. Молекулы в более нагретых
частях тела движутся быстрее и передают энергию посредством столкновений
медленным частицам в более холодных частях тела.

1.5. Температура.

Температура — физическая величина,
характеризующая термодинамическую систему и количественно выражающая
интуитивное понятие о различной степени нагретости тел [6].

Живые существа
способны воспринимать ощущения тепла и холода непосредственно, с помощью
органов чувств. Однако точное определение температуры требует, чтобы
температура измерялась объективно, с помощью приборов. Такие приборы называются термометрами и измеряют так называемую эмпирическую температуру. В эмпирической
шкале температур устанавливаются две реперные точки и
число делений между ними — так были введены используемые ныне
шкалы Цельсия, Фаренгейта и другие. Измеряемая
в кельвинах абсолютная
температура вводится по одной реперной
точке с учётом того, что в природе существует минимальное предельное значение
температуры — абсолютный нуль. Верхнее значение
температуры ограничено планковской температурой.

Если система
находится в тепловом равновесии, то температура всех её частей одинакова. В
противном случае в системе происходит передача энергии от более нагретых частей
системы к менее нагретым, приводящая к выравниванию
температур в системе, и говорят о распределении температуры в системе
или скалярном поле температур. В термодинамике температура —
интенсивная термодинамическая величина.

Наряду с термодинамическим, в других разделах физики могут вводиться
и другие определения температуры. В молекулярно-кинетической теории
показывается, что температура пропорциональна средней кинетической энергии
частиц системы. Температура определяет распределение частиц
системы по уровням энергии (см. Статистика Максвелла — Больцмана),
распределение частиц по скоростям (см. Распределение Максвелла), степень
ионизации вещества (см. Уравнение Саха), спектральную плотность
излучения (см. Формула Планка), полную объёмную плотность
излучения (см. Закон Стефана — Больцмана) и т. д.
Температуру, входящую в качестве параметра в распределение Больцмана, часто
называют температурой возбуждения, в распределение Максвелла —
кинетической температурой, в формуле Саха — ионизационной
температурой, в законе Стефана — Больцмана — радиационной
температурой. Для системы, находящейся в термодинамическом равновесии, все эти
параметры равны друг другу, и их называют просто температурой системы.

1.6. Энергия.

Энергия —
скалярная физическая величина, являющаяся единой мерой различных форм движения и
взаимодействия материи, мерой перехода движения материи из одних форм в другие [7]. Введение
понятия энергии удобно тем, что в случае, если физическая система является
замкнутой, то её энергия сохраняется в этой системе на протяжении времени,
в течение которого система будет являться замкнутой. Это утверждение носит
название закона сохранения энергии.

С фундаментальной точки зрения энергия представляет собой
один из трёх (наравне с импульсом и моментом импульса) аддитивных
интегралов движения (то есть сохраняющихся во
времени величин), связанный, согласно теореме Нётер, с однородностью времени,
то есть независимостью законов, описывающих движение, от времени.

Слово «энергия» введено Аристотелем в трактате «Физика», однако там оно обозначало деятельность
человека.

Кинетическая
энергия — энергия механической системы, зависящая от скоростей движения её
точек. Часто выделяют кинетическую энергию поступательного и вращательного
движения. Единица измерения в СИ — джоуль. Более строго, кинетическая энергия
есть разность между полной энергией системы и её энергией покоя; таким
образом, кинетическая энергия — часть полной энергии, обусловленная движением.

Потенциальная энергия — скалярная физическая величина,
характеризует запас энергии некоего тела (или материальной точки), находящегося
в потенциальном силовом поле, который идёт на приобретение (изменение)
кинетической энергии тела за счёт работы сил поля. Другое определение:
потенциальная энергия — это функция координат, являющаяся слагаемым
в лагранжиане системы, и описывающая взаимодействие элементов
системы.

Термин «потенциальная энергия» был введён в XIX
веке шотландским инженером и физиком Уильямом Ренкином. Потенциальная
энергия принимается равной нулю для некоторой конфигурации тел в пространстве,
выбор которой определяется удобством дальнейших вычислений. Процесс выбора
данной конфигурации называется нормировкой
потенциальной энергии.

A2. Современная теория процессов
передачи и приёма тепла.

Теплопередача — физический процесс передачи тепловой энергии от более горячего тела к менее
горячему, либо непосредственно (при контакте), или через разделяющую (тела или
среды) перегородку из какого-либо материала [8]. 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
менее горячему, что является следствием второго
закона термодинамики.

Всего существует три простых (элементарных)
механизма передачи тепла: теплопроводность, конвекция, тепловое излучение.

Существуют также различные виды сложного
переноса тепла, которые являются сочетанием элементарных видов, основные из них:теплоотдача (конвективный
теплообмен между потоками жидкости или газа и поверхностью твёрдого тела),
теплопередача (теплообмен от горячей среды [жидкость, газ или твердое тело] к
холодной через разделяющую их стенку), конвективно-лучистый перенос тепла
(совместный перенос тепла излучением и конвекцией), термомагнитная конвекция.

Внутренние источники теплоты — понятие
теории теплопередачи, которое описывает процесс производства (реже поглощения)
тепловой энергии внутри материальных тел без какого-либо подвода или переноса
тепловой энергии извне. К внутренним источникам теплоты относятся:
тепловыделение при работе электрического тока, тепловыделение при ядерных
реакциях, тепловыделение при химических реакциях.

Теплопередача – это учение о процессах переноса теплоты [1]. Самопроизвольный процесс переноса теплоты в
пространстве с неоднородным полем температуры называют теплообменом.

Существует три вида
теплообмена: теплопроводность, конвективный теплообмен и теплообмен излучением.

Теплопроводность – это перенос
теплоты в среде посредством хаотического (теплового) движения макрочастиц (молекул, атомов).

Конвективный теплообмен — это перенос теплоты, осуществляемый движущимися
макроскопическими элементами среды с одновременной теплопроводностью.

Теплообмен
излучением – перенос теплоты посредством электромагнитного поля.

Большое практическое
значение имеет конвективный теплообмен между движущейся жидкостью и
поверхностью ее раздела с другой стороны. Например, конвективный теплообмен
между жидкостью и поверхностью твердого тела, между газом и поверхностью
капельной жидкости.

Различают два вида конвекции (т. е.
движения жидкости) – свободную и вынужденную.

При свободной
конвекции движущая сила обусловлена разностью плотностей жидкости в месте его
контакта с поверхностью тела, имеющей другую температуру, и вдали от этой
поверхности. Из-за разности плотностей возникают подъемные (архимедовы) силы.

Такая конвекция
происходит, например, в сосуде с жидкостью, в которую погружена нагревательная
спираль. Вынужденная конвекция происходит под действием внешней движущей силы.
При этом жидкость обтекает поверхность, имеющую более высокую или более низкую
температуру, чем температура самой жидкости. Скорость
движения жидкости при вынужденной конвекции больше, чем при свободной, поэтому
при заданном перепаде температур может быть передано больше теплоты.
Возрастание теплового потока связано с необходимостью рас хода энергии,
затраченной для приведения жидкости в движение.

Совокупность двух или трех видов
теплообмена называют сложным теплообменом.

Изучение
закономерностей сложного теплообмена представляет собой довольно трудную
задачу. Поэтому каждый из трех видов теплообмена изучают отдельно, после чего
становится возможным вести расчеты, относящиеся к сложному теплообмену.

Теплопередача — наука, изучающая процессы распространения теплоты в
пространстве и передачи ее от одних тел другим [9]. Перенос теплоты от одного тела другому или теплообмен
между частями одного и того же тела происходят только при наличии разности
температур. В процессе теплового воздействия одного тела на другое теплота в
соответствии со вторым законом термодинамики самопроизвольно переходит от тела
с более высокой температурой к телу с более низкой температурой. При отсутствии
разности температур процесс теплопереноса прекращается, и наступает тепловое
равновесие тел.

Различают три способа
распространения теплоты в природе — теплопроводность, конвекцию и тепловое излучение {радиацию), и два вида теплообмена между телами — конвективный и лучистый.

Процесс распространения теплоты теплопроводностью
является молекулярным и происходит при непосредственном
соприкосновении тел или частиц тел с различной температурой. В результате
соударения частиц вещества (молекул, атомов и свободных электронов) происходит
обмен энергией их теплового движения: интенсивность движения частиц тела,
обладающих меньшей внутренней кинетической энергией, увеличивается, а
интенсивность движения частиц тела, обладающих большей внутренней кинетической
энергией, уменьшается.

Механизм распространения теплоты
теплопроводностью зависит от физических свойств тела: в газообразных телах
перенос теплоты теплопроводностью происходит в результате соударения молекул
между собой; в металлах — путем диффузии свободных электронов; в капельных
жидкостях и твердых телах — путем упругих волн (упругие колебания
кристаллической решетки).

Конвекцией называется процесс распространения теплоты путем
перемещения жидкости или газа в пространстве из области с одной температурой в
область с другой. Конвекция в отличие от распространения теплоты
теплопроводностью может происходить только в жидкостях и газах и обусловливается перемещением самой
среды. Конвекция всегда сопровождается теплопроводностью, поскольку при
перемещении жидкости или газа отдельные части тела, имеющие разные температуры,
всегда соприкасаются.

Одновременное распространение теплоты
конвекцией и теплопроводностью носит название конвективного теплообмена.

Различают естественную (свободную) и
искусственную (вынужденную) конвекцию. Причиной перемещения жидкости или газа
из одной части пространства в другую может быть различие плотностей отдельных
частей жидкости или газа из-за их неравномерного нагрева. Более легкие объемы
жидкости или газа будут подниматься вверх, а на их место будут опускаться более
холодные объемы, обладающие большей плотностью. В этом случае характер движения
и теплообмена определяется только условиями нагрева (температурным полем). Такое
движение жидкости или газа называется свободным,
а теплообмен — конвективным теплообменом в свободном потоке.

В том случае, когда движение жидкости или
газа вызвано искусственно (вентилятором, насосом, компрессором и т. д.) и не
связано с тепловым воздействием, такое движение жидкости или газа называется вынужденным,
а теплообмен — конвективным теплообменом в вынужденном
потоке.

Тепловое
излучение {радиация, лучистый
перенос теплоты) — это
излучение, возникающее в результате возбуждения частиц вещества (атомов,
молекул, ионов и пр.) и распространяющееся в пространстве электромагнитными
волнами. Скорость распространения
электромагнитных волн в свободном пространстве (в вакууме) составляет 300 000
км/с.

При лучистом теплообмене происходит двойное
превращение энергии. Внутренняя
энергия излучающего тела сначала переходит в лучистую, т.е. в энергию,
переносимую излучением, а затем лучистая энергия распространяется в
пространстве, пока не встретит непрозрачное тело, которое полностью или
частично поглотит эту лучистую энергию. При этом происходит преобразование
лучистой энергии во внутреннюю энергию поглощающего тела.

Передача теплоты теплопроводностью и
конвекцией происходит только в вещественной среде (в твердых телах, жидкостях,
газах), в то время как перенос теплоты излучением может происходить в вакууме,
т.е. без участия среды.

Необходимо отметить, что в реальных условиях
весьма редко какой- либо из указанных способов распространения теплоты и видов
теплообмена встречается изолированно. Так, например, в топочном пространстве
котельного агрегата теплота передается от продуктов сгорания топлива к наружным
стенкам кипятильных труб конвективным и лучистым теплообменом. Через стенки
труб теплота передается теплопроводностью, а затем происходит процесс теплообмена
между внутренними стенками труб и кипящей водой или паром. Совокупность этих
видов теплообмена называется сложным теплообменом.

В различных машинах и аппаратах передача
теплоты от одной движущейся жидкости к другой осуществляется через разделяющую
их твердую стенку. Такой процесс переноса теплоты называется теплопередачей.

A3. Несостоятельность представлений и
теоретических взглядов о тепловых процессах.

Тепловых теорий в истории человечества
было предостаточно [10]. Теория
флогистона Георга Шталя, причём флогистон претерпевал
изменения от угля до водорода. Теория теплорода Антуана де Лавуазье, согласно которой теплота — это некий
магматический газ. Механистическая теория теплоты, нашедшая своё развитие в
молекулярно-кинетической теории, согласно которой теплота — это механические
колебания атомов и молекул в твёрдых телах и жидкостях, и — поступательное и
вращательные движения газовых молекул — в газах.

Современные
официальные представления о том, чем является теплота, до сих пор соответствуют
взглядам XVIII — XIX века, то есть взглядам механистической теории теплоты. Несмотря на то, что даже в школьных учебниках пишут, что теплота
может передаваться путём теплообмена, конвекцией и излучением, несмотря на то,
что все 100% солнечной энергии, на использовании которой, в конечном счёте, и
держится вся человеческая цивилизация, передаются на Землю в виде
инфракрасного, светового, ультрафиолетового и рентгеновского электромагнитного
излучения, этот факт не нашел никакого отклика ни в физической кинетике, ни
в современной статистической физике.

Одна из первых
теорий распространения пламени была предложена
Мал-ларом и Ле-Шателье еще
в 1883 г. [11]. Она основана ва следующих представлениях. В предпламенной зоне не протекают какие-либо химические процессы, идет только нагревание
прилегающих к пламени слоев свежей смеси вследствие передачи тепла теплопроводностью из зоны
реакций (из светящейся зоны). Данные представления предполагают, что скорость распространения пламени определяется чисто физическими закономерностями — скоростью передачи тепла свежей смеси или температуропроводностью
смеси. Теории распространения пламени, в основе которых лежит
представление об определяющей влиянии
скорости теплопередачи, получили
название тепловых. После Малла-ра и Ле-Шателье предлагалось большое
число различных вариантов тепловой теории, однако основные допущения и модель рассматриваемого процесса в этих теориях не претерпели существенных
изменений.

A4. Альтернативные взгляды на тепловые
процессы и состояния в физических объектах.

4.1.
Теплота.

Излучение и поглощение энергии атомом –
универсальное назначение электронов. Теплота и свет имеют общую природу с
излучением энергии. В распространении электромагнитных волн особое место
занимают свет и теплота. В природе понятия «теплота» и «свет» отсутствуют. Свет
и теплота – категории не физические, а физиологические.

Свет – видимая часть спектра
электромагнитных колебаний, которые способны ощутить только те представители
фауны, которые имеют глаза. Свет – абстрактное понятие для человека, который
потерял зрение.

Теплота – часть спектра электромагнитных
колебаний в инфракрасном диапазоне. Теплота – свойство органов осязания
представителей фауны и флоры. Теплота – уровень потенциальной энергии тела,
который определяется положением орбит электронов над ядром атомов. Мерой
потенциального состояния тела служит температура, введённая человеком для
оценки внутренней энергии тела.

Теплота – понятие относительное. Всегда
тёплым будет тело, которое излучает энергию в окружающую среду, и, наоборот,
холодным, которое поглощает энергию. Таким образом, теплота – состояние, в котором тело излучает энергию.
Свет и теплота не нуждаются в отдельных теориях – это излучение энергии
посредством электромагнитных волн [12].

4.2. Нагревание и охлаждение.

Для понимания вопроса стабильности
вещества надо определиться с условиями. Важна не только температура при
остывании расплава, но ещё внешнее давление и гравитационное поле Земли.
Наиболее точно ответить на вопрос стабильности стекла могут однокомпонентные
стёкла, когда нет иных компонентов, маскирующих истину.

Стабильным в естественных условиях можно
считать вещество, которое при нагревании или охлаждении возвращается в
первоначальное состояние. Если нагревать кристаллический кварц до расплавления,
образуется расплав, который затвердевает в виде кварцевого стекла. Возвратить
кварцевое стекло в кристаллическое состояние невозможно. Та же картина с борным
и фосфорным ангидридами, боратные и фосфатные стёкла вообще не кристаллизуются.

Из этого следует, что при естественных
условиях любой расплав при охлаждении всегда переходит в энергетически выгодное
состояние с наименьшей потенциальной энергией системы. При этом структуру
твёрдого тела характеризует не плотность упаковки атомов [30], а межатомные
силы, которые создают устойчивую оптимальную атомную структуру [31].

Стекло уже в расплаве стекло. В расплаве
стёкол имеется целый ряд установившихся жёстких химических связей. В расплаве
кристалла все связи разорваны, и изменения температуры выше температуры
ликвидуса изменяет только внутреннюю энергию системы атомов. Изменение же
температуры расплава стекла приводит к значительному изменению вязкости за счёт
разрыва или восстановления химических связей.

Неупорядоченность структуры стёкол
приводит к существованию в стекле непрерывно набора связей по силе и
монотонному изменении свойств. В стекле существует дискретный спектр связей по
их силе. При этом, связи не обязательно должны быть
идентичными по структуре, а только по силе связи (в т.ч. и по структуре). Тогда
при охлаждении расплава восстанавливается химические связи определённой силы.
Это восстановление связей аналогично кристаллообразованию при охлаждении
расплава [23].

Температура твёрдого тела складывается из
температуры его атомов (ионов). Рассмотрим отдельно взятый атом с одним
электроном – атом водорода. Если к этому атому подводить тепло, нет сил, в
результате действия которых атом начнёт совершать тепловые колебания, то есть
изменять своё местонахождение. Но атом отреагирует на подвод к нему внешней
энергии: электрон в атоме возбудится и перейдёт из основного уровня при
комнатной температуре с наименьшей энергией на более высокий энергетический
уровень. При дальнейшем подводе тепла повторится такой переход, и электрон
перейдёт на ещё более высокий уровень. При охлаждении атома идёт обратный
процесс.

Таким образом, нагревание тела – процесс,
при котором электроны составляющих его атомов или ионов из всех атомных
оболочек устойчивого состояния, соответствующего минимально возможному значению
его энергии, переходят на более высокие атомные уровни.

Температура тела определяется состоянием
атомных уровней атомов или ионов, входящих в его структуру. Или, что идентично,
чем более высокие атомные уровни занимают электроны в атомах (ионах) тела, тем
выше его температура.

При переходе электронов на более высокие
уровни увеличиваются геометрические размеры атомов, что приводит к уменьшению
силы химических связей между всеми структурными элементами тела и отдалению их
друг от друга. При нагревании любых тел расстояния между центрами атомов
увеличивается, а ослабление химических связей приводит к снижению механической
прочности нагретых твёрдых тел (например: ковка металлов). Хотя расстояние
между центрами атомов при нагревании увеличивается, но при этом расстояния
между атомами уменьшается. Такое предположение хорошо согласуется с повышение электросопротивления металлов с увеличением их температуры.

Таким образом, при нагревании твёрдых тел
увеличиваются геометрические размеры атомов, и в связи с ослаблением химических
связей растёт расстояние между центрами соседних атомов (ионов), что приводит к
их тепловому расширению [12].

4.3. Теплопроводность.

Если температура всех тел в замкнутом
пространстве равна, не происходит процессов излучения и поглощения энергии
между ними. Это означает, что электроны на орбитах атомов не излучают. Но
только стоит появиться нагретому телу, например, включить электрическую
лампочку или утюг, немедленно возникает разность потенциалов состояния и
появляется тепловой поток. Неукоснительное свойство физических объектов –
выравнивание потенциалов состояния. Горячее тело излучает энергию, окружающая
среда поглощает её. Передача энергии от одного физического объекта другому
осуществляется единственным универсальным способом – через электромагнитные
волны.

Что же происходит с телами, окружающими
источник энергии и самим источником? За счёт подведённой энергии электроны
источника излучения работают как генераторы излучения, а электроны тел
окружающей среды – как приёмники излучения. Процесс теплопередачи идёт до тех
пор, пока есть разность потенциалов состояния, то есть до выравнивания
температур.

Физические объекты излучают и поглощают
энергию только поверхностью. Излучение и поглощение энергии возможно на границе
раздела между телами или внутри тела между соседними атомами при наличии
градиента температур. Чем больше поверхность излучающего или поглощающего тела,
тем интенсивнее идёт процесс.

Какова физика процессов передачи энергии в
массивных телах? Процесс излучения энергии складывается из процессов излучения
и поглощения энергии между соседними слоями атомов и теле. Электроны служат
только трансляторами энергии. При излучении энергии электроны наружного слоя
тела при вращении вокруг собственной оси на первой полуволне излучают
электромагнитные волны, а на второй полуволне поглощают энергию от электронов
рядом лежащего атома, чтобы на следующей полуволне снова излучить её. Излучение
и поглощение энергии происходит на границе двух атомных слоёв физического тела,
имеющих различные потенциалы состояния, т.е. при наличии разности потенциалов
или, что равносильно, разности температур. Так, за слоем слой, продолжается
процесс излучения горячего тела через акты излучения – поглощения до
выравнивания потенциалов состояния. По мере остывания тела уменьшается мощность
излучаемой энергии и изменяется спектр волн электромагнитных колебаний.

Таким же образом происходит поглощение
энергии, только в этом случае часть энергии идёт на выравнивание потенциалов
состояния. Каждый электрон тела периодически поглощает и излучает энергию.
Иначе не прогреется весь объём нагреваемого тела. Когда от источника тепла
нагревается первый слой атомов, он начинает излучать энергию второму слою и
т.д. Таким образом, за слоем слой тело прогревается, пока имеется источник
нагревания. Волновой состав поглощённой и излученной энергии идентичен.
Внутренняя энергия атома изменяется аналогово [12].

4.4. Температура.

Температура каждого тела складывается из
температуры его атомов. Рассмотрим отдельно взятый атом с одним электроном –
атом водорода. Если к этому атому подводить тепло, нет сил, в результате
действия которых атом начнёт совершать тепловые колебания, то есть изменять
своё местонахождение. Но атом отреагирует на подвод к нему внешней энергии:
электрон в атоме возбудится и перейдёт из основного уровня при комнатной
температуре с наименьшей энергией на более высокий энергетический уровень. При
дальнейшем подводе тепла повторится такой переход, и электрон перейдёт на ещё
более высокий уровень. При охлаждении атома идёт обратный процесс.

Таким образом, нагревание тела – процесс,
при котором электроны составляющих его атомов из всех атомных оболочек
устойчивого состояния, соответствующего минимально возможному значению его
энергии, переходят на более высокие атомные орбитали.

Температура тела определяется состоянием
атомных орбиталей атомов, входящих в его структуру.
Или, что то же, чем более высокие атомные орбитали занимают электроны в атомах тела, тем выше его
температура [13].

4.5. Энергия.

Существуют два вида энергии: в состоянии покоя
и в движении – потенциальная энергия и кинетическая энергия. Потенциальная
энергия физического объекта – его внутренняя энергия, уровень потенциальной
энергии определяется высотой электронов над ядром. Кинетическая энергия –
энергия в движении в виде электромагнитных волн как средство передачи энергии
от одного физического объекта к другому. Кинетическая энергия атомов –
электромагнитные волны, которые могут преобразовываться в другие виды энергии:
теплоту, свет, радиоволны, электричество и др. Электромагнитные волны возникают
только при разности потенциалов состояния между физическими объектами.
Внутренняя энергия физических объектов спонтанно переходит от горячего тела к
холодному посредством излучения энергии.

Энергия присуща каждому физическому телу
(объекту). Подпитка внутренней энергии физических объектов происходит за счёт
внешних источников: солнечной энергии, тепловой энергии сжигания топлива или
внутренней энергии других тел. Внешние источники пополнения тел энергией могут
быть временными (сжигание топлива, пища для фауны) или постоянными (энергия
Солнца, питание для флоры). При разности потенциалов потенциальная энергия
объекта превращается в кинетическую и через
электромагнитное излучение переходит к объекту с меньшей потенциальной энергией.
Таким образом, энергия может быть в покое (потенциальная энергия) и в движении
(кинетическая энергия).

Электромагнитная волна – способ передачи
потенциальной энергии путём превращения её в кинетическую от одного атома
другому, имеющему меньшую потенциальную энергию, посредством колебательного
контура электронов. Электрон формирует и излучает электромагнитные волны.
Поглощающий электрон своим колебательным контуром принимает электромагнитные
волны, часть кинетической энергии превращает в свою потенциальную, остальную
энергию передаёт дальше соседнему атому при наличии разности потенциалов
состояния. Единственным средством передачи энергии тепловой, световой,
ультрафиолетового излучения, электрического тока и, тем более, радиоволн,
является электромагнитные волны [12].

A5. Теория передачи и приёма энергии
физическими телами.

Физические объекты излучают и поглощают
энергию только поверхностью. Излучение и поглощение энергии возможно на границе
раздела между телами или внутри тела между соседними атомами при наличии градиента
температур. Чем больше поверхность излучающего или поглощающего тела, тем
интенсивнее идёт процесс.

Излучение и поглощение энергии – процессы
взаимосвязанные. В случае появления разности потенциалов состояния синхронно
изменяется мощность вращающего электромагнитного поля ядра: при получении
энергии радиус силовых линий увеличивается, электроны ускоряются, их
кинетическая энергия переходит в потенциальную.
Электроны работают как резонаторы – получают электромагнитные колебания и
повышают свою потенциальную энергию. Процесс поглощения и излучения энергии –
единый процесс. Каждый электрон атома при наличии разности потенциалов после
поглощения энергии излучает её. Из-за разности потенциалов состояния
потенциальная энергия электронов переходит в кинетическую энергию путём электромагнитного
излучения, поглощается электронами с меньшей потенциальной энергией и
превращается в потенциальную энергию.

Механической моделью процесса
передачи энергии может быть переброска сыпучего материала на другое место
лопатой: нагнулся, зачерпнул, распрямился, бросил, нагнулся и т.д.

Функция электронов – принимать или
излучать электромагнитные волны. В электроне длится непрерывный процесс
получения и передачи энергии. При излучении энергии на каждом обороте электрона
вокруг собственной оси образуется полная волна: одна полуволна – получение
энергии резонатором электрона, вторая полуволна – передача энергии осциллятором
электрона. При поглощении энергии идёт противоположный процесс. Резонатор и
осциллятор электрона является одним и тем же колебательным контуром. Вращение
электрона в режиме получения и передачи энергии как раз и определяет волновую
сущность процесса передачи энергии и описывается синусоидой.

Ядро атома и электроны имеют одну и ту же
угловую скорость. На каждом обороте ядра вокруг оси изменяется мощность его
вращающего электромагнитного поля: удаление силовых линий от ядра при
поглощении энергии и приближение силовых линий к ядру при излучении энергии.
При поглощении энергии электрон ускоряется в связи с постепенным переходом на орбиту
большего радиуса и его потенциальная энергия увеличивается. Ядро атома образует
вращающее поле таким образом, что каждому протону соответствуют свои силовые
линии электромагнитного поля. По самой интенсивной, генеральной силовой линии и
движется электрон. При излучении энергии электрон замедляется и постепенно
переходит на более низкую орбиту, а его потенциальная энергия его уменьшается.
Такой цикл электрон совершает за один оборот вокруг собственной оси. Процессы
поглощения и излучения энергии состоят из импульсов полуволн, то есть имеют
дискретный характер. Направление передачи энергии всегда единое: от тела с
большей температурой к телу с меньшей температурой, или, что равносильно, от
атомов с большей потенциальной энергией к атомам с меньшей потенциальной
энергией.

Генератором и приёмником излучения
является электрон. Где бы ни был электрон: на Солнце или на Земле, в золоте или
навозе – колебательный контур его универсален. Все электроны вселенной
универсальны – имеют одинаковую частоту колебаний контура, который работает как
генератор электромагнитных волн или как их приёмник, чередуя эти действия.

Каждый электрон половину оборота вокруг
оси поглощает (излучает) энергию, а вторую половин оборота излучает (поглощает)
её. Передача энергии от одного электрона другому осуществляется дискретно –
полуволнами. Полуволна энергии, которая излучается электроном, состоит из
электромагнитных волн всех диапазонов, которые соответствуют химическому
составу и температуре излучающего объекта. Такая же вторая полуволна энергии
поглощается другим электроном.

Электроны горячего тела излучают не
конкретную электромагнитную волну, а импульсы энергии, в который входят все
волны излучающего объекта, состав которых определяется температурой излучения и
химическим составом. Если частота электромагнитных волн излучения больше
частоты вращения атома вокруг собственной оси, в импульс полуволны энергии
входит количество излучаемых волн, равное соотношению частоты волны и частоты
вращения атома вокруг оси. Если частота передаваемой волны меньше частоты
вращения атома вокруг оси, волна передаётся дискретными отрезками. Так как
дискретные отрезки волны передаются разными электронами со сдвигом во времени,
поглощаемая волна воспринимается как непрерывная.

Теоретическая физика не может ответить на
вопрос: почему электрон не излучает? А может ли в электрической цепи течь ток,
если нет разности потенциалов? Так и в электроне атома: если нет разности
потенциалов состояния физических тел, т.е. тела находятся при одинаковой
температуре, электрон излучать не будет. Также электрон не излучает на
полуволне поглощения.

Тело излучает кинетическую энергию
посредством колебательного контура электронов на границе сред. Тело с большей
потенциальной энергией электронов отдаёт энергию другому телу, пока их
температуры не выровняются. Таким образом, при ускорении электрон не излучает
энергии, а расходует её на ускорение для того, чтобы следуя за полем, подняться
в течение полуоборота атома на более высокую орбиту и приобрести потенциальную
энергию. На втором полуобороте электрон излучает энергию.

При охлаждении тела идёт
обратный процесс: электроны замедляются и излучают потенциальную энергию,
превращая её в кинетическую. Дальность распространения
электромагнитных волн определяется мощностью излучения.

С ростом температуры при переходе
электронов на более высокие орбиты вслед за электромагнитным полем, при равной
круговой скорости электроны, находящиеся на более высоких орбитах будут иметь
большую скорость и, соответственно, кинетическую энергию. Орбиты электронов
располагаются на таких расстояниях от ядра, чтобы обеспечивать стабильно
устойчивое состояние атома. Орбиты атома – плавающие. Атом, переходя в иные
условия, реагирует на них: происходят изменения в ядре и в положении
электронов. Ядро, приобретая дополнительную энергию, увеличивает мощность
электромагнитного поля, его силовые линии удаляются от ядра. Все электроны
атома, поглощая энергию, по спиральной орбите следуют за полем согласованно все
сразу. Потенциальная энергия атома изменяется аналогово.
Абсолютные скорости электронов возрастают. с ростом температуры увеличиваются геометрические размеры
атома.

Во время получения атомом внешней энергии
никаких переходов (перескоков) электронов на другую орбиту нет. Все электроны
атома постоянно находятся на своих орбитах, так же, как и небесные тела. Все
ядра атомов любого физического тела имеют одинаковую скорость вращения вокруг
собственной оси и, соответственно, равную угловую скорость вращающего
электромагнитного поля. Это равносильно равенству угловых скоростей электронов.
Благодаря равенству угловых скоростей колебательный контур электронов настроен
на одну всеобщую частоту, что обеспечивает возможность передачи – приёма
энергии. Электрон не может аккумулировать энергию: получил и немедленно должен
отдать. Часть энергии расходуется на выравнивание потенциальной энергии с
соседним электроном. Выравнивание температуры между горячим и холодным телами
длится до тех пор, пока не наступит динамического равновесия. Электроны ранее
горячего тела, теряя скорость, перестают излучать. Физической моделью передачи
энергии от тела к телу могут быть сообщающиеся сосуды.

Непреложным фактом является процесс
получения Землёй энергии Солнца. Но, если электромагнитное излучение Солнца
доходит до Земли и нагревает все физические
объекты, значит, в космосе и на Земле есть среда, в которой способны
распространяться электромагнитные волны. Можно возражать против наличия такого
физического поля, если рассматривать процесс поглощения – излучения в условиях
воздушного пространства. Но, излучение Солнца неопровержимо доказывает, что
такое всеобъемлющее физическое поле существует. Физическая среда – необходимое
условие для распространения электромагнитных волн.

Из житейского опыта известно, что
солнечные лучи способны нагревать абсолютно все материалы. Этот факт
свидетельствует, что механизм поглощения энергии у всех физических объектов
универсальный, способный аккумулировать солнечную энергию, превращая её в потенциальную
энергию электронов. Атомы всех тел имеют идентичные устройства передачи и
приёма энергии. Электроны имеют одинаковый колебательный контур, который
способен работать в режиме осциллятора или резонатора.

Такой объект, как Солнце, имея восполняемое
внутреннее тепло, постоянно генерируют через электроны электромагнитные волны
энергии. Электроны атомов, которые находятся на поверхности Солнца, излучают
непрерывный мощный поток электромагнитных волн. Разница температур Земли и
Солнца огромная, поэтому поток энергии имеет большую мощность. Электромагнитные
волны Солнца достигают Земли. Более слабые генераторы – электроны в телах,
имеющих низкую температуру. Если сравнивать свечу, стекловаренную или
мартеновскую печь, ядерный взрыв, мощности их электромагнитного излучения будут
разительно отличаться и распространяться на различные расстояния.

Любая теория, по которой в микромире
осуществляется массоперенос на расстояние, не соответствует истине.
Массоперенос возможен в макромире, когда ветер поднимает пыль или двигает
барханы в пустыне. Если рассуждать о стакане горячего чая, который остывает,
теплота – это волна или корпускула, такая дискуссия вполне уместна. Но, если
речь идёт об излучении Солнца, совершенно ясно, что фотоны, входя в плотные слои
атмосферы, сгорят мгновенно, как сгорают микрометеориты (подающие звёзды) или
обломки космических кораблей.

Тепло или холодно при какой-нибудь
температуре, зависит от физиологии представителей фауны. Белым медведям тепло
во льдах Северного ледовитого океана, пингвинам – во льдах Антарктиды.
Неорганической природе всё равно, какая температура окружающей среды. Теплота –
состояние тела, в котором электроны атомов имеют большую потенциальную энергию,
чем потенциальная энергия электронов в атомах окружающей среды. Если тёплое
тело поместить в более тёплую среду, оно окажется холодным. Нагревание
увеличивает потенциальную энергию тела, охлаждение уменьшает её до тех пор,
пока разность потенциалов состояния будет равна нулю.

Теплота тела определяется не хаотическим
тепловым движением частиц в нём. Теплота – понятие относительное. Всегда тёплым
будет тело, которое излучает энергию в окружающую среду, и, наоборот, холодным,
которое поглощает энергию. Таким образом, теплота, это не скорость
беспорядочного теплового движения частиц физического объекта, а состояние, в
котором тело излучает энергию [14].

Теплота – это излучение энергии посредством
электромагнитных волн.

A6. Общие выводы.

1. На основе тории строения
атома разработана теория поглощения и излучения энергии, передача энергии в
массивном теле, излучение и поглощение энергии между телами, излучение и
поглощение солнечной энергии.

2. Передача любого вида
энергии осуществляется только электромагнитными волнами.

3. Материальные частицы не
могут переносить энергию. Все теории, в которых переносчиками энергии являются
материальные частицы – ошибочны.

A7. ССЫЛКИ НА ИСТОЧНИКИ

[1] https://studfile.net/preview/1193644/page:2/

[2] https://ru.wikipedia.org/wiki/Теплота

[3] https://ru.wikipedia.org/wiki/Нагрев

[4] https://ru.wikipedia.org/wiki/Охлаждение

[5] https://ru.wikipedia.org/wiki/Теплопроводность

[6] https://ru.wikipedia.org/wiki/Температура

[7] https://ru.wikipedia.org/wiki/Энергия

[8] https://ru.wikipedia. org/wiki/Теплопередача

[9] https://studme.org/295379/tehnika/teoriya_teploobmena

[10] https://ru.wikibooks.org/wiki/Теория_теплоты

[11] https://www.chem21.info/info/951621/

[12] А. И. Болутенко. http://ngipoteza.narod.ru/phys3.htm

[13] А. И. Болутенко. http://ngipoteza.narod.ru/glass11.htm

[14] А. И. Болутенко. http://ngipoteza.narod.ru/phys2.htm

25.09.2020

Теплообмен человека

Почему человеку бывает холодно, а лягушке даже на Монблане не нужен пуховик? Согреет ли нас гусиная кожа, и за что производители одежды должны благодарить гомеостаз?

Кто из нас, взбираясь на гору с тяжеленным рюкзаком, не ворчал по поводу излишне теплой одежды? А потом, вечером, не пытался в ней же согреться у костра? Почему в одной и той же куртке может быть и холодно, и жарко, и как на ощущение климатического комфорта влияет температура окружающего воздуха или интенсивность физической активности? О том, почему греет одежда, мы рассказывали в статье «Кто согревает теплую одежду». В этой статье мы поговорим о том, почему человек вообще нуждается в одежде, и зачем она должна его греть.

Голландец Вим Хоф (Wim Hof) по прозвищу «Ледяной человек» (The Iceman) прославился своей слабой чувствительностью к холоду. Он установил несколько рекордов, связанных с продолжительностью пребывания человека в экстремально холодных условиях. Айсмен провел 72 минуты в емкости с холодной водой и льдом, взошел на французский Монблан босиком и совершил еще множество «хладнокровных» поступков, недоступных большинству простых людей.

В отличие от Вима Хофа, другое живое существо — обычная лягушка — на Монблан не забирается, но прочие низкотемпературные подвиги совершает постоянно, что, однако, не делает ее знаменитой. Можно, конечно, предположить, что Iceman, в отличие от лягушки, преуспел в вопросах PR, однако истина в другом. Лягушка, как и многие другие представители животного мира и рыб, является существом холоднокровным. Человек, наоборот, принадлежит к довольно большой теплокровной группе. Холодно- и теплокровные организмы приспосабливаются к среде и реагируют на изменение температурных условий по-разному.

Гомеостаз

В XIX веке французский медик Клод Бернар (Claude Bernard) вывел принципы, которые затем легли в основу теории гомеостаза. Согласно этой теории живой организм образует единую энергетическую систему с окружающей средой и стремится сохранить постоянство своей внутренней среды.

Эволюция предложила разные варианты обеспечения гармонии между организмом и окружающей средой. Например, уже знакомая нам лягушка хладнокровно решила, что температура ее тела будет практически такой же, как у воды и воздуха вокруг нее. В результате лягушка нормально живет при температуре ее собственного лягушачьего тела от 0 до 25 градусов по Цельсию. Животные подобные лягушке при сильном понижении температуры способны впадать в анабиоз — состояние, когда жизнедеятельность организма замедляется почти до полной остановки. Некоторые из таких животных, например сибирский углозуб, даже зимуют в глыбе льда, замерзая до весны вместе с водой, в которой они плавали. Такой способ приспособления к условиям окружающей среды называется конформационным.

Сибирский углозуб может зимовать в глыбе льда, замерзая вместе с водой, в которой плавал

Человек, в отличие от лягушки, нормально функционирует только если температура его собственного тела постоянна и не изменяется вслед за температурой окружающей среды. Этот способ адаптации называется регуляторным и достигается с помощью развитой физиологической системы терморегуляции, управляющей теплообменом. Эта система следит за внутренней температурой организма человека, и если она отклоняется от нормальных 37 ºС в ту или другую сторону, то запускаются механизмы коррекции. Дрожание на холоде или потение в жару — внешние проявления работы таких механизмов.

У обоих вариантов гомеостаза есть свои преимущества и недостатки. Холоднокровные животные меняют «стиль жизни» в зависимости от внешних условий и могут переносить низкие температуры в течение длительного времени, снижая свою активность практически до нуля. Теплокровные, наоборот, тратят значительные силы на поддержание стабильной внутренней температуры тела, но это дает им возможность сохранять обычную активность при довольно широком диапазоне внешних температур.

Теплообмен

Что же такое теплообмен? К чему все эти мучения с потением или, наоборот, что приятного в мурашках на коже?

Теплообмен — это перенос тепла от более нагретого тела к менее нагретому. Такой процесс всегда имеет одно направление и необратим. То есть перенос тепла от нагретого утюга к брюкам возможен, а вот брюки нагретому утюгу передать тепло не смогут. Процесс теплообмена по своему принципу похож на поведение жидкости в сообщающихся сосудах: жидкость будет перетекать из одного сосуда в другой до тех пор, пока уровень жидкостей в двух сообщающихся сосудах не станет одинаковым. Так и тепло передается от более нагретого тела к менее нагретому до тех пор, пока их температура не станет одинаковой.

Три вида теплообмена

Теплообмен принято делить на три вида: теплопроводность, лучистый теплообмен и конвекция.

1. Теплопроводность — это непосредственный перенос тепла от более нагретого к менее нагретому. Горячий кофе передает тепло чашке, а чашка — рукам. Это будет происходить до тех пор, пока температура напитка, чашки и рук не сравняется. И наоборот, если емкость с напитком холодна (например, фужер с коньяком), то тепло передается в обратном направлении — от рук к напитку. Именно благодаря теплопроводности хороший коньяк, нагреваясь, становится очень хорошим.

Холодные уши — вовсе не признак дурака. Так устроен любой человек

Человеческое тело отдает свое тепло не только коньяку, но и окружающей среде — воздуху или другим холодным предметам, с которыми человек соприкасается. Различные зоны человеческого тела делают это по-разному. Например, верхняя часть, особенно голова и шея, отдают много тепла, а ноги и участки тела с большим количеством подкожного жира — мало. Кстати, именно поэтому упитанные люди мерзнут меньше худых.

2. Лучистый теплообмен — это вариант теплообмена без непосредственного контакта тел. Так нас греет солнце или любой другой нагретый предмет, даже не прикасаясь к которому, мы можем сказать, что от него исходит жар.

Солнце греет нас на расстоянии благодаря лучистому теплообмену

3. Конвекция — вид теплообмена, осуществляемого движущимися потоками одного и того же вещества. Благодаря конвекции перемешивается вода в стоящем на огне чайнике. То же самое происходит с теплым воздухом под одеждой. Поднимаясь вдоль тела и выходя наружу, он уступает место воздуху с улицы, и мы начинаем мерзнуть.

Виды конвекции в чайнике и туристе

Роль механизмов регуляции теплообмена

Внутренняя температура тела человека поддерживается за счет теплопродукции — производства тепла в ходе обмена веществ и мышечной деятельности. Здоровый организм не замечает эту температуру, но даже небольшое — в половину градуса — ее изменение является поводом для того, чтобы забраться в постель, потребовать тишины, глинтвейна и оплаченного больничного листа.

Но не менее важна для человека и температура среды его обитания.

Голый человек способен продолжительно и эффективно функционировать лишь в довольно узком диапазоне температур окружающей среды — в районе 27 ºС. Если температура окружающей среды поднимается выше 27 градусов, возникает риск гипертермии (перегрева). В таких случаях система терморегуляции человека увеличивает теплоотдачу за счет испарения влаги, вырабатываемой потовыми железами. Кроме этого осуществляется перераспределение кровотока от внутренних органов к внешней поверхности тела.

И наоборот, когда температура окружающей среды заметно и продолжительно опускается ниже 27 градусов, организм включает механизмы терморегуляции, которые уменьшают потери тепла и увеличивают теплопродукцию.

К таким механизмам относятся:

Дрожание — быстрое непроизвольное сокращение мышц, в процессе которого выделяется тепло для согрева внутренних органов.

Отток крови от внешней, охлажденной поверхности тела. Такой отток не позволяет крови отдавать тепло, необходимое для работы внутренних органов. Этот эффект проявляется, в частности, как замерзание пальцев рук и ног.

Гусиная кожа — мурашки, которые вызываются напряжением микромыщц, отвечающих за положение волосков на коже. У человека это наследие предков является классическим атавизмом, но у наших прародителей эти мышцы поднимали шерсть, увеличивая высоту волосяного покрова. Это удерживало воздух у кожи, который как теплоизолятор уменьшал тепловые потери.

Однако возможности терморегуляции не безграничны, и при дальнейшем устойчивом понижении температуры среды возникает риск различных нарушений в функционировании организма, развиваются симптомы гипотермии (переохлаждения), появляется дискомфорт, чувство «замерзания». Поэтому когда температурные условия выходят за определенные границы, собственных возможностей организма становится недостаточно, и человеку требуется посторонняя помощь. Одним из главных помощников человека в обеспечении температурного комфорта является одежда. Как именно она помогает, читайте в материале «Кто согревает теплую одежду».

Резюме:

Способность человека поддерживать стабильное состояние организма при изменениях окружающей среды называется гомеостазом.

Человек — существо теплокровное и нормально функционирует лишь при внутренней температуре 37 ºС и внешней 27 ºС.

При изменении этих температур в ту или иную сторону включаются механизмы естественной терморегуляции человеческого организма, усиливающие или, наоборот, ослабляющие теплообмен.

Возможности естественной терморегуляции ограниченны, и при значительном изменении температуры окружающей среды человек может столкнуться с проблемами переохлаждения или перегрева.

Одежда является одним из основных способов обеспечения температурного комфорта в условиях широкого диапазона температур окружающей среды.

Основы теплопереноса. Теплообменники : Farmf

Основы теплопереноса. Способы передачи тепла: теплопроводность, тепловое излучение, конвекция. Нагревание. Водяной пар и другие теплоносители. Теплообменники.

Вещества или среды, участвующие в теплообмене, называются теплоносителями. Технологические процессы, скорость которых определяется скоростью подвода или отвода тепла, называются тепловыми, а аппараты, в которых они протекают, теплообменными. К тепловым процессам относятся нагревание, охлаждение, конденсация, испарение (сушка, выпаривание жидкостей).

Перенос теплоты, происходящий между телами с различной температурой, называют теплообменом. Движущей силой этого процесса является разность температур, которая называется температурным напором. Причем теплота самопроизвольно переходит от более нагретого к менее нагретому телу.

Различают три принципиально различных способа распространения тепла.

Теплопроводность – способ переноса тепла вследствие беспорядочного движения микрочастиц. Механизм переноса тепла теплопроводностью зависит от агрегатного состояния тела, а в твердых телах является основным видом распространения тепла.

Конвекция – процесс переноса тепла вследствие движения и перемешивания макроскопических объемов газа или жидкости. Различают вынужденную и принудительную конвекцию. В первом случае перемещение среды обусловлено каким-либо внешним источником, например, насосом, во втором – разностью плотностей между холодным и нагретым участком среды.

Тепловое излучение – процесс распространения магнитных колебаний с различной длиной волн, обусловленный тепловым движением атомов или молекул излучающего тела.

В реальных условиях тепло передается комбинированным способом.

Более сложный процесс передачи тепла от более нагретого к менее нагретому телу через разделяющую поверхность называют теплопередачей.

В тепловых процессах передача тепла осуществляется от одного теплоносителя к другому в большинстве случаев через разделяющую перегородку (стенку аппарата, стенку трубы и т. д.). Движущая сила процессов передачи тепла зависит от взаимного направления движения теплоносителей. Различают следующие схемы взаимного движения теплообменивающихся потоков относительно поверхности теплообмена:

— прямоток – обе среды движутся в одном направлении;
— противоток – среды движутся в противоположных направлениях;
— перекрестный ток – направление движения потоков перпендикулярное;
— смешанный ток – взаимное движение теплоносителей включает все вышеуказанные схемы движения.

Как правило, в фармацевтической технологии встречаются противоточное и прямоточное движения теплоносителей.

Аппараты, предназначенные для передачи тепла от одних веществ к другим, называются теплообменниками.

Вещества, участвующие в передаче тепла, называются теплоносителями. В тепловой передаче принимает участие не менее двух сред, имеющих разные температуры. Среды с более высокой температурой называются горячими теплоносителями, а среды с более низкой температурой – холодными.

К числу широко применяемых промежуточных теплоносителей относятся водяной пар, горячая вода, в меньшей степени минеральные масла и некоторые специальные теплоносители (органические жидкости и их пары, расплавленные соли, жидкие металлы и их сплавы).

В виде охлаждающих агентов для понижения температуры до 10-30 ^оС используется в основном вода и воздух.

Классификация и конструкции теплообменных аппаратов. Теплообменники.

По способу передачи тепла различают следующие типы теплообменников:

— теплообменники с поверхностью, образованной стенками аппарата, т.е. паровые рубашки;
— поверхностные или рекуперативные, в которых теплообменивающие среды разделены теплопроводящей стенкой;
— смесительные, в которых теплообмен осуществляется при непосредственном контакте смешивающихся сред.

Паровые рубашки. Эти теплообменники используют для обогрева котлов, выпарных чаш, реакторов. Греющий пар поступает в замкнутое пространство, т. е. отделен от обогреваемой жидкости (мазевая основа, сироп, водная вытяжка). Высота паровой рубашки должна быть не меньше высоты обогреваемой жидкости. Теплопередача осуществляется через стенку с небольшой поверхностью.

Типовым аппаратом с паровой рубашкой может служить открытая чаша , работающая при атмосферном давлении. На паровой рубашке устанавливают манометр и предохранительный клапан.

В зависимости от конструкции поверхностные теплообменники подразделяются на трубчатые, пластинчатые, змеевиковые, теплообменники с рубашкой, и теплообменники с оребренной поверхностью.

Трубчатые теплообменники в свою очередь подразделяются на следующие типы: кожухотрубные, «труба в трубе», змеевиковые. Кожухотрубные теплообменники получили широкое применение в промышленности ввиду их компактности, простоты в изготовлении, надежности в работе.

Кожухотрубные теплообменники бывают одноходовыми и многоходовыми. Одноходовой теплообменник. Он состоит из корпуса или кожуха 1, внутри которого расположен пучок труб 2. Концы труб закреплены в трубных решетках 3 путем развальцовки или сварки. Между трубными решетками образуется камера «межтрубное пространство», в которую поступает греющий пар через штуцер 4 и выходит через штуцер 5. Нагреваемая жидкость поступает через штуцер 6 противотоком, проходит внутрь трубок 2, нагревается и выходит через патрубок 7.

Многоходовой теплообменник кроме названных выше элементов имеет в крышке поперечные перегородки, с помощью которых трубы разделены на секции, по которым движется жидкость, находящаяся в трубном пространстве.

Для кожухотрубных теплообменников чаще всего применяют стальные бесшовные трубы с диаметром 25-27 мм.

Теплообменник типа «труба в трубе» состоит из нескольких элементов, расположенных один над другим. Каждый элемент состоит из наружной трубы 1 большого диаметра (кожух) и концентрически расположенной внутри нее трубы меньшего диаметра 2. Внутренняя и наружная трубы соединены с помощью сальникового уплотнения или сварки. Внутренние трубы элементов соединены друг с другом последовательно съемными коленами 3 (калачами). Наружные трубы соединены патрубками 4. Холодная вода для нагрева поступает по внутренним трубам, а греющий пар противотоком в трубу большого диаметра.

Змеевиковый погружной теплообменник имеет вид цилиндрического сосуда 1, в который погружена трубка 2, изогнутая в виде змеевика. Один из теплоносителей направляется по змеевику (соковый пар), другой омывает его снаружи, входя в случае противотока через нижний штуцер 3 и выходя через верхний 4. Для прямотока должно быть обратное направление одного из теплоносителей. При больших размерах цилиндра 1 теплоноситель, омывающий змеевик, имеет незначительную скорость движения, что приводит к снижению коэффициента теплопередачи. Змеевиковые теплообменники просты в обслуживании, поэтому имеют большое распространение. Недостатки – громоздкость и трудности внутренней очистки змеевика.

Теплообменники с ребристыми поверхностями. Их применяют главным образом для теплообмена между газом и жидкостью или паром, а также между двумя газами. Поверхности теплообмена сделаны в них из труб с различными ребрами (поперечными или продольными) для увеличения теплоотдачи.

Введение в теплообмен | Поговорим о науке

Что такое тепло?

Подумайте обо всех способах, которыми вы можете что-то нагреть. Вы можете вскипятить воду на плите, быстро потереть руки или встать перед огнем. Но что такое тепла ?

Теплота относится к тепловой энергии . Тепловая энергия возникает в результате движения крошечных частиц внутри всей материи. Все твердые тела, жидкости и газы состоят из мелких частиц, таких как атомов 9.0006 и молекулы. Эти частицы имеют кинетической энергии и постоянно движутся. Когда эти частицы движутся быстрее, количество тепловой энергии увеличивается.

Тепло это тепловая энергия , которая перемещается из одного места в другое. Тепло переходит от более теплых объектов к более холодным объектам. Поскольку тепло является формой энергии, оно измеряется в джоулей или иногда в калорий .

Предупреждение о неправильном представлении
Объекты не содержат тепла. Они могут содержать тепловую энергию.

Заблуждения о температуре (2012 г.) от Veritasium (3:58 мин.).
Так в чем разница между теплом и температурой? Температура сообщает нам, насколько что-то горячее или холодное. Температура — это измерение средней кинетической энергии объекта. По сути, это мера среднего движения частиц объекта. Температура измеряется в градусах градусов Цельсия , градусах градусов Фаренгейта или по шкале градусов Кельвина . Температура и тепло связаны. Тепло – это поток тепловой энергии между объектами с разной температурой.
Разница между теплом и температурой (давайте поговорим о науке, используя изображение Дмитрия Волкова через iStockphoto).

Знаете ли вы?
Калория – это количество энергии, необходимое для повышения температуры 1 грамма воды на 1 градус Цельсия. Энергия пищи, которую вы едите, измеряется в калориях.
Как передается тепло?
Вы когда-нибудь держали в руках чашку горячего шоколада, находясь на улице на морозе? Когда вы держите горячую чашку, ваши руки становятся теплее. То, что вы испытываете, является передачей тепла от одного объекта к другому. Тепловая энергия от горячего шоколада передается вашим рукам.
Когда два объекта имеют разную температуру, происходит передача тепла. Более холодный объект становится теплее до тех пор, пока оба объекта не достигнут одинаковой температуры. Тепловая энергия всегда перетекает от более нагретого объекта к более холодному.
Тепло всегда переходит от более теплого объекта к более холодному (Давайте поговорим о науке, используя изображение VectorMine через iStockphoto).

Тепло может передаваться тремя способами:
Теплопроводность
Конвекция
Радиация
Кипячение воды в чайнике на плите — хороший пример процессов теплопередачи: теплопроводности, конвекции и излучения (Let’s Talk Science на основе изображения из инколы через iStockphoto).

Проводимость, конвекция, излучение (2015) Эврики (6:23 мин.).
Проводимость
Проводимость происходит, когда материалы или объекты находятся в непосредственном контакте друг с другом. Молекулы более теплого объекта вибрируют быстрее, чем молекулы более холодного объекта. Более быстрые колеблющиеся молекулы сталкиваются с более медленными молекулами. Это заставляет более холодные молекулы вибрировать быстрее, и объект нагревается. Например, вы когда-нибудь сидели на крутом диване? Вы заметили, что сиденье стало намного теплее, когда вы встали? Тепло от вашей кожи передавалось к дивану посредством вибрации молекул.
Проводимость также может происходить внутри одного объекта. Подумайте о металлическом стержне, который только что ковырялся в камине. Конец стержня, который касался горячих углей, становится очень горячим. Энергия от горячего конца будет проходить через стержень к более холодному концу. В конце концов, температура всего стержня станет одинаковой. Вот почему важно надевать перчатки при обращении с горячим металлическим стержнем!
Человек, нагревающий металлический стержень у кузнеца (Let’s Talk Science с использованием изображения IconicBestiary через iStockphoto).
Некоторые материалы лучше других проводят тепло. Вы могли заметить это, гуляя по дому зимой. Вы когда-нибудь замечали, что ногам становится намного холоднее, если ходить по кафельной плитке в ванной, чем по ковру? Это происходит, даже если и плитка, и ковер имеют такую же температуру, как и ваш дом. Однако плитка является гораздо лучшим проводником, чем ковер. При ходьбе по плитке от ног к полу уходит больше тепла, чем по ковру.
Теплопроводность является мерой того, насколько хорошо материал проводит тепло. Материалы, которые хорошо проводят тепло, известны как проводники . Металлы, такие как серебро, медь и алюминий, являются проводниками. Материалы, плохо проводящие тепло и известные как изоляторы . Пенополистирол, снег и стекловолокно являются примерами изоляторов. Во многих домах есть теплоизоляция. Изоляция не позволяет домам терять слишком много тепловой энергии в окружающий воздух. Многие обычные предметы также обеспечивают изоляцию от воздуха, например холодильники, термосы и спальные мешки.
Поперечное сечение изолированной колбы (Let’s Talk Science с использованием изображения KajaNi через iStockphoto).
Знаете ли вы?
Повара любят использовать деревянные ложки, потому что дерево плохо проводит тепло. Это означает, что ложки не нагреваются слишком быстро и не обжигают руки.
Проводимость обычно происходит в твердых телах. Частицы в жидкостях или газах находятся дальше друг от друга, чем в твердых телах. Это облегчает движение молекул газа и жидкости. Так, жидкости и газы чаще передают тепло посредством конвекции.
Конвекция
Конвекция – это еще один способ передачи тепла. Конвекция — это движение в газе или жидкости, вызванное разницей температур. Это движение передает тепло газу и жидкости. Молекулы в жидкостях и газах расположены дальше друг от друга и имеют больше места для перемещения, чем в твердых телах. Благодаря этому нагретые молекулы жидкости или газа могут физически двигаться. Это отличается от проводимости, когда молекулы просто вибрируют быстрее.
Нагрев кастрюли с водой на горелке является примером конвекции. Тепло передается молекулам воды на дне кастрюли посредством теплопроводности. Эти молекулы начинают двигаться быстрее. Вода на дне горшка становится менее плотной. Он возвышается над более плотной и прохладной водой. Поднимаясь вверх, вода уносит с собой тепловую энергию. Более холодная вода занимает свое место на дне кастрюли, где она нагревается. Это создает круговой цикл теплопередачи. Эта закономерность известна как конвекция.
Давайте поговорим о науке, используя изображение VectorMine через iStockphoto).
Конвекция играет очень важную роль в ветрах и океанских течениях. Например, воздух над сушей обычно теплее, чем воздух над океаном. Теплый воздух нагревается и поднимается вверх. Затем его заменяет более прохладный воздух над океаном. Мы ощущаем это движение воздуха как ветер.
Излучение — третий вид теплопередачи. В отличие от конвекции и проводимости, для излучения не требуется никакого вещества. Тепловое излучение — это передача энергии через электромагнитные волны . Электромагнитные волны переносят энергию через пространство. Тепловое излучение — это то, как Солнце нагревает Землю. Энергия Солнца распространяется волнами в пространстве, а не через атомы или молекулы. Другие теплые предметы, такие как тостер или ваше тело, также излучают тепловую энергию. Микроволновая печь также использует излучение для разогрева пищи.
Тепловое излучение на Землю исходит от Солнца (Источник: filo через iStockphoto).
Теплопередача в доме
Примером одновременного протекания всех трех процессов теплопередачи является обогрев или охлаждение дома.
Теплопроводность может обогревать или охлаждать дом. Летом тепло передается от теплого воздуха снаружи в дом через стены или крышу. Зимой тепло передается от теплого воздуха внутри дома наружу через стену или крышу.
В каждой комнате происходит конвекция. Более теплый воздух поднимается к потолку, а более холодный опускается к полу. Конвекция также является причиной того, что второй этаж дома кажется более горячим, чем подвал.
Тепловое излучение Солнца нагревает крышу дома. Радиация также может передавать тепловую энергию через окна.
Проводимость, конвекция и тепловое излучение в доме (Давайте поговорим о науке, используя изображение Ауриелаки через iStockphoto).
Каждый день мы сталкиваемся с этими различными формами теплопередачи. Понимание этих концепций может привести к инновационному использованию тепловой энергии. Например, канадский подросток создал фонарик, работающий от тепла вашей руки. Кто знает, как еще мы будем использовать наши знания о тепле в будущем.

Что такое теплопроводность?
Диаграмма, показывающая передачу тепловой энергии посредством проводимости. 1 кредит
Тепло — интересная форма энергии. Он не только поддерживает жизнь, делает нас комфортными и помогает нам готовить пищу, но понимание его свойств является ключом ко многим областям научных исследований. Например, знание того, как передается тепло и в какой степени различные материалы могут обмениваться тепловой энергией, определяет все: от строительства обогревателей и понимания сезонных изменений до отправки кораблей в космос.
Тепло может передаваться только тремя способами: теплопроводностью, конвекцией и излучением. Из них проводимость, пожалуй, наиболее распространена и регулярно встречается в природе. Короче говоря, это передача тепла через физический контакт. Это происходит, когда вы прижимаете руку к оконному стеклу, когда кладете кастрюлю с водой на активный элемент и когда кладете утюг в огонь.
Этот перенос происходит на молекулярном уровне — от одного тела к другому — когда тепловая энергия поглощается поверхностью и заставляет молекулы этой поверхности двигаться быстрее. При этом они сталкиваются со своими соседями и передают им энергию, и этот процесс продолжается до тех пор, пока добавляется тепло.
Процесс теплопроводности зависит от четырех основных факторов: градиента температуры, поперечного сечения вовлеченных материалов, длины их пути и свойств этих материалов.
Градиент температуры — это физическая величина, описывающая, в каком направлении и с какой скоростью изменяется температура в определенном месте. Температура всегда течет от самого горячего к самому холодному источнику, потому что холод есть не что иное, как отсутствие тепловой энергии. Этот перенос между телами продолжается до тех пор, пока не исчезнет разница температур и не наступит состояние, известное как тепловое равновесие.
Поперечное сечение и длина пути также являются важными факторами. Чем больше размер материала, участвующего в переносе, тем больше тепла необходимо для его нагрева. Кроме того, чем больше площадь поверхности, которая подвергается воздействию открытого воздуха, тем выше вероятность потери тепла. Таким образом, более короткие объекты с меньшим поперечным сечением являются лучшим средством минимизации потерь тепловой энергии.
Теплопроводность происходит через любой материал, представленный здесь прямоугольным стержнем. Скорость, с которой он переносится, частично зависит от толщины материала (показатель A). 1 кредит
Последнее, но не менее важное, это физические свойства используемых материалов. По сути, когда дело доходит до теплопроводности, не все вещества одинаковы. Металлы и камень считаются хорошими проводниками, поскольку они могут быстро передавать тепло, тогда как такие материалы, как дерево, бумага, воздух и ткань, плохо проводят тепло.
Эти проводящие свойства оцениваются на основе «коэффициента», который измеряется по отношению к серебру. В этом отношении серебро имеет коэффициент теплопроводности 100, тогда как другие материалы имеют более низкий рейтинг. К ним относятся медь (92), железо (11), вода (0,12) и древесина (0,03). На противоположном конце спектра находится идеальный вакуум, который не способен проводить тепло и поэтому оценивается как нулевой.
Материалы, плохо проводящие тепло, называются изоляторами. Воздух, коэффициент проводимости которого равен 0,006, является исключительным изолятором, поскольку его можно удерживать в замкнутом пространстве. Вот почему искусственные изоляторы используют воздушные отсеки, такие как окна с двойным остеклением, которые используются для сокращения счетов за отопление. По сути, они действуют как буферы против потери тепла.
Перо, мех и натуральные волокна — все это примеры натуральных изоляторов. Это материалы, которые позволяют птицам, млекопитающим и людям оставаться в тепле. Морские выдры, например, живут в океанских водах, которые часто бывают очень холодными, и их роскошный густой мех согревает их. Другие морские млекопитающие, такие как морские львы, киты и пингвины, полагаются на толстые слои жира (он же ворвань) — очень плохой проводник — для предотвращения потери тепла через кожу.
Та же логика применяется к изоляции домов, зданий и даже космических кораблей. В этих случаях методы включают либо захваченные воздушные карманы между стенами, стекловолокно (которое улавливает воздух внутри себя), либо пену высокой плотности. Космические корабли представляют собой особый случай и используют изоляцию в виде пены, армированного углеродного композитного материала и плитки из кварцевого волокна. Все они являются плохими проводниками тепла и, следовательно, предотвращают потерю тепла в космосе, а также предотвращают попадание экстремальных температур, вызванных входом в атмосферу, в кабину экипажа.
Проводимость, как показано при нагревании металлического стержня пламенем. Кредит: Высшее образование Томсона
В большинстве случаев материалы, плохо проводящие тепло, плохо проводят электричество. Например, медь хорошо проводит тепло и электричество, поэтому медные провода так широко используются в производстве электроники. Золото и серебро еще лучше, а там, где цена не имеет значения, эти материалы также используются при изготовлении электрических цепей.
И когда кто-то хочет «заземлить» заряд (т.е. нейтрализовать его), они посылают его через физическую связь на Землю, где заряд теряется. Это характерно для электрических цепей, где открытым металлом является фактор, гарантирующий, что люди, которые случайно вступят в контакт, не будут поражены электрическим током.
Это вид носовой части космического корабля «Дискавери», построенного из термостойких углеродных композитов. Кредит: НАСА
Изолирующие материалы, такие как резина на подошвах обуви, используются для защиты людей, работающих с чувствительными материалами или вблизи источников электричества, от электрических зарядов. Другие изоляционные материалы, такие как стекло, полимеры или фарфор, обычно используются в линиях электропередач и высоковольтных передатчиках, чтобы поддерживать подачу энергии в цепи (и ничего больше!)
Короче говоря, проводимость сводится к передаче тепла или передаче электрического заряда. И то, и другое происходит в результате способности вещества позволять молекулам передавать через себя энергию.
Источник:
Вселенная сегодня
Цитата :
Что такое теплопроводность? (2014, 9 декабря)
получено 4 марта 2023 г.
с https://phys.org/news/2014-12-what-is-heat-conduction.html
Этот документ защищен авторским правом. Помимо любой добросовестной сделки с целью частного изучения или исследования, никакие
часть может быть воспроизведена без письменного разрешения. Контент предоставляется только в ознакомительных целях.
Теплообмен в метеорологических системах — Cool Science
экстремальные явления
Почему вам холодно, когда вы выходите из бассейна в жаркий день?
Как огонь кипятит воду?
Почему черная дорога горячее белого тротуара?
На все эти вопросы можно ответить, если понять концепцию теплопередачи, которая влияет на нашу повседневную жизнь с точки зрения того, как мы готовим, строим здания, одеваемся, воспринимаем погоду и многое другое! Также существует множество мифов о теплопередаче, о которых вы можете прочитать подробнее.
См. «Мифы и заблуждения»
Что такое тепло?
Тепло, форма энергии, известная как «тепловая энергия», представляет собой энергию атомов и молекул в движении. Точнее, это энергия, которая течет от чего-то более горячего к чему-то более прохладному, как энергия, которая течет от горячей кружки к вашей более прохладной руке. Это НЕ то же самое, что температура, которая измеряет, насколько горячо или холодно что-то.
Два типа тепла включают явное тепло и скрытое тепло.
Явное тепло – это тепло, выделяемое или поглощаемое при отсутствии фазового перехода. Это высвобождение или поглощение изменяет температуру вещества. Вы можете ПОЧУВСТВОВАТЬ это.
Скрытая теплота — это тепло, высвобождаемое или поглощаемое при фазовом переходе вещества, например, при испарении жидкой воды и превращении ее в водяной пар или при плавлении льда из твердого состояния в жидкое. Скрытая теплота не влияет на температуру чего-либо. Температура кипящей жидкой воды и образующегося при этом газа (водяного пара) составляет 100 °C, несмотря на то, что в воду вкладывается энергия, чтобы превратить ее из жидкости в газ.
Что такое теплопередача?
Если тепло – это форма энергии, то «теплопередача» – это передача энергии. Это способ, которым энергия переходит из одной системы в другую. Эта передача энергии объясняет, почему происходят многие вещи, включая многие типы погоды.
Существует три формы передачи энергии: проводимость, конвекция и излучение.
Что такое проводимость?
Когда два объекта соприкасаются, и каждый объект имеет разную температуру, то происходит передача энергии от более горячего к более холодному. Вы испытываете проводимость в течение дня. Например, теплопроводность объясняет, почему кафельный пол кажется холодным для ваших ног (энергия вашей теплой ноги передается более прохладному плиточному полу) или предмет, взятый из морозильной камеры, кажется холодным в ваших руках (энергия вашей теплой руки уходит). течет к предмету, который вы взяли из морозилки).
Не все проводит энергию одинаково. Пенополистирол, гусиный пух и дерево проводят энергию медленнее, чем бетон, сталь и алюминий. Другими словами, если вы поместите деревянную и металлическую ложки в один и тот же морозильник на одинаковое время, металлическая ложка будет холоднее, чем деревянная ложка, когда вы достанете их из морозильной камеры, потому что металлическая ложка передает тепло ваша рука быстрее, чем деревянная ложка. Способность проводить тепло описывается как «теплопроводность». Количество тепла, передаваемого посредством теплопроводности, также зависит от многих факторов, таких как:
Площадь поверхности двух соприкасающихся объектов (от всей стопы передается больше тепла, чем от пальцев ног, если бы вы стояли на холодных плитках на пальцах ног).
Время, в течение которого они находятся в контакте (если вы быстро сойдете с плитки, передается меньше тепла, чем если вы стоите там долгое время).
Разница температур между объектами (от пальца к холодной воде передается больше тепла, чем к холодной воде, и между двумя объектами одинаковой температуры передачи не происходит).
Толщина материала, через который передается тепло (через тонкий пуховик передается больше тепла, чем через толстый пуховик).
Что такое конвекция?
Конвекция возникает при движении жидкостей (жидкостей или газов). Когда жидкости нагреваются, нагретый участок расширяется и становится менее плотным. Когда газ или жидкость становятся менее плотными, они стремятся подняться, и их место занимают более плотные жидкости. Эта форма передачи энергии помогает объяснить, как работает лавовая лампа: тепло от источника света в нижней части лампы нагревает окрашенный воск, который становится менее плотным, чем вода, и поднимается в лавовой лампе. Наверху воск остывает, уплотняется и снова опускается вниз, чтобы снова нагреться. Радиаторы могут распространять воздух по комнате, и конвективная циркуляция воздуха является гораздо более эффективным способом передачи тепла, чем теплопроводность, которая требует соприкосновения предметов.
Что такое радиация?
Излучение — это передача энергии в виде волн через пространство или какой-либо материал. Свет — это тип волны, называемой «электромагнитной волной».
Длина и скорость электромагнитной волны определяют, как люди воспринимают эти волны и существуют в диапазоне от длинных, медленных волн низкой энергии до коротких, быстрых волн высокой энергии. Длинные, медленные волны помогают передавать звук (например, звук вашего телевизора или радио). Короткие быстрые волны используются для рентгеновских лучей. Тепло и видимый свет — другие примеры передачи энергии в виде волн. Солнечное излучение — это электромагнитное излучение, производимое солнцем, и его можно рассматривать как цвета радуги.
Излучение поглощается разными материалами по-разному, в зависимости от цвета и состава этих материалов. Например, темный кусок металла будет нагреваться быстрее, чем более светлый кусок того же металла. Металл определенного цвета нагревается быстрее, чем пластик того же цвета. Когда излучение не поглощается, оно отражается или преломляется.
Как теплопередача влияет на развитие грозы?
Солнечные волны нагревают землю, заставляя ее нагреваться (излучение). Энергия течет от более теплой земли к более холодному воздуху (кондукция), заставляя его подниматься вверх (конвекция). Когда поднимающийся воздух достигает определенной точки, он расширяется, охлаждается, и более холодный расширенный воздух больше не может удерживать столько водяного пара, поэтому идет дождь. Энергия (скрытая теплота) высвобождается, когда водяной пар конденсируется в капли дождя (в противоположность тому факту, что энергия требуется для испарения жидкой воды до водяного пара). Этот приток энергии в воздух заставляет его подниматься дальше, охлаждаться и расширяться, а также терять больше воды (больше дождя). Быстрое вертикальное движение, сближающее очень разные воздушные массы, позволяет молнии перескакивать с одного облака на соседнее.
Грядущая буря. Уинслоу Гомер. 1901
Механизмы теплопередачи — Энергетическое образование
Энергетическое образование
Меню навигации
ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭНЕРГИИ
ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ
ИНДЕКС
Поиск

Рисунок 1. На фотографии выше показан аэрогель, чрезвычайно хороший теплоизолятор, между паяльной лампой и спичками. Аэрогель блокирует все тепло от паяльной лампы и предотвращает возгорание спичек. ^[1]
Механизмы теплопередачи — это способы, с помощью которых тепловая энергия может передаваться между объектами, и все они основаны на основном принципе, согласно которому кинетическая энергия или тепло должны быть в равновесии или в равных энергетических состояниях . Существует три различных способа передачи тепла: теплопроводность, конвекция и лучистое тепло (часто называемое излучением, но это более общий термин, включающий множество других явлений). ^[2] Существует родственное явление, связанное с передачей скрытого тепла, называемое эвапотранспирацией.
Теплопроводность
Основная статья
Теплопроводность — это простейшая модель теплопередачи с точки зрения возможности математического объяснения происходящего. Это движение кинетической энергии в материалах из областей с более высокой температурой в области с более низкой температурой через вещество. ^[3] Молекулы будут просто отдавать свою энергию соседним молекулам, пока не будет достигнуто равновесие. Модели проводимости не имеют дело с движением частиц внутри материала.
Конвекция
Рис. 2. Воздух над сушей нагревается быстрее, чем воздух над водой, что приводит к конвекции, которая ощущается как прохладный океанский бриз. ^[4]
основная статья
Конвекция — это передача тепла посредством движения жидкости (например, воздуха или воды). Разница между проводимостью и конвекцией заключается в движении материального носителя; конвекция — это движение тепловой энергии за счет движения горячей жидкости (в отличие от нагревания другого материала за счет шевеления атомов). Обычно это движение происходит в результате различий в плотности. Более теплые частицы менее плотны, поэтому частицы с более высокой температурой будут перемещаться в области с более низкой температурой, а частицы с более низкой температурой — в области с более высокой температурой. Жидкость будет оставаться в движении, пока не будет достигнуто равновесие.
Излучение
Рисунок 1: Костры излучают лучистую «энергию» и ощущаются как «лучистое тепло». ^[5]
основной артикул
Тепло, передаваемое излучением, называется лучистым теплом. Подобно свету, лучистое тепло является лучистой энергией, и для его переноса не обязательно требуется среда. Этой форме передачи энергии способствует электромагнитное излучение. ^[6] Все движущиеся заряженные частицы излучают электромагнитное излучение. Эта излучаемая волна будет двигаться, пока не столкнется с другой частицей. Частица, получившая это излучение, получит его в виде кинетической энергии. Частицы будут получать и излучать излучение даже после того, как все будет иметь одинаковую температуру, но этого не замечают из-за того, что в этот момент материал находится в равновесии.
Этот тип теплопередачи особенно важен при установлении температуры Земли. Излучение, как передача тепла, — это то, как Земля получает энергию от солнца. Радиация также важна для парникового эффекта.
Эвапотранспирация
Рисунок 1. Круговорот воды зависит от эвапотранспирации. ^[7]
основная статья
Эвапотранспирация — это энергия, переносимая фазовыми переходами, такими как испарение или сублимация. ^[8] Вода требует достаточного количества энергии для изменения фазы, поэтому этот процесс подтверждает, что водяной пар имеет связанное с ним достаточное количество энергии. Этот тип механизма передачи энергии часто не указывается среди различных типов механизмов передачи, так как его сложнее понять.
Для дальнейшего чтения
Эвапотранспирация
Радиация
Теплопроводность
Конвекция
Или просмотрите случайную страницу
Ссылки
↑ Wikimedia Commons. (30 июля 2015 г.). Аэрогель [Онлайн]. Доступно: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/b/b4/Aerogel_matches.jpg
↑ Гиперфизика, Теплопередача [Онлайн], Доступно: http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/thermo/heatra.html
↑ Гиперфизика, Теплопроводность [Онлайн], Доступно: http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/thermo/heatra.html#c2
↑ «Свойства выбора чтения материи: плотность создает течения». [В сети]. Доступно: http://www.propertiesofmatter.si.edu/Density_Creates.html
↑ Wikimedia Commons [в сети], доступно: http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Fire_from_brazier.jpg
↑ Р. Чабай и Б. Шервуд, «Энергия и импульс в излучении», в Matter & Interactions, 3-е изд., Hoboken, NJ: Wiley, 2011, ch.24, sec.5, pp. 1002-1003
↑ Wikimedia Commons [в сети], доступно: http://en.wikipedia.org/wiki/Evapotranspiration#/media/File:Surface_water_cycle.svg
↑ Геологическая служба США, Эвапотранспирация — круговорот воды [онлайн], доступно: http://water.usgs.gov/edu/watercycleevapotranspiration.html
Типы теплопередачи и приготовление пищи: методы и примеры
Вы когда-нибудь задумывались, что на самом деле происходит, когда вы готовите пищу? Хотя это то, что мы обычно принимаем как должное, этот процесс нагревания пищи , известный как теплопередача, сложен и увлекателен. Продолжайте читать, чтобы узнать больше о взаимосвязи между теплопередачей и приготовлением пищи и о той важной роли, которую она играет на вашей кухне.
Что такое теплопередача?
Теплообмен – это обмен тепловой энергией между двумя объектами. Скорость теплопередачи зависит от температуры каждого объекта и среды, через которую передается тепловая энергия. В кулинарии под теплопередачей понимается нагрев продуктов питания с помощью кухонного прибора, такого как плита, фритюрница, микроволновая печь или духовка.
Как теплопередача используется в кулинарии?
Теплопередача является очень важным аспектом процесса приготовления пищи. Нагрев пищи уничтожает потенциально опасные бактерии и другие микроорганизмы, что делает пищу безопасной для употребления и легче усваивается. Когда пища или жидкость становятся горячими, их молекулы поглощают энергию, начинают быстро вибрировать и начинают отскакивать друг от друга. Когда они сталкиваются, вырабатывается и передается тепловая энергия, которая нагревает и готовит нашу пищу.
3 Типы теплопередачи
Проводка
Конвекция
Радиация
Каждый из этих трех методов теплопередачи обладает своими уникальными характеристиками, но между различными типами существует некоторое пересечение.
Что такое проводимость?
Теплопроводность — это процесс передачи тепла между объектами посредством прямого контакта, и это наиболее распространенный тип теплопередачи. Например, при приготовлении пищи горелки на плитах будут проводить тепловую энергию ко дну кастрюли, стоящей на ней. Оттуда кастрюля передает тепло своему содержимому.
Фритюрница также использует кондуктивный нагрев, так как горячее масло готовит пищу при прямом контакте с ним. Кроме того, теплопроводность отвечает за перемещение тепла снаружи пищи внутрь. В результате теплопроводность также возникает при приготовлении пищи с использованием методов конвекционного и радиационного нагрева.
Теплопроводность является самым медленным методом передачи тепла, но непосредственный контакт между варочной поверхностью и нагреваемым продуктом позволяет готовить пищу снаружи внутрь. Когда приготовление стейка в чугунной сковороде , например, в режиме кондукции получается равномерно прожаренный снаружи и влажный, сочный внутри, который обязательно понравится гостям.
Примеры кондуктивного нагрева
Вот несколько примеров кондуктивного нагрева:
Обжигание руки горячим куском металла
Жареный стейк, куриные грудки или свиные отбивные
Использование ледяной воды для бланширования овощей после приготовления на пару, чтобы они не потеряли свой цвет
Что такое конвекция?
Конвекция сочетает кондуктивный теплообмен и циркуляцию, заставляя молекулы воздуха перемещаться из более теплых областей в более холодные. Когда молекулы, находящиеся ближе всего к источнику тепла, нагреваются, они поднимаются вверх и заменяются более холодными молекулами. Существует два типа конвекции, основанных на движении нагретых молекул.
Естественная конвекция
Естественная конвекция возникает, когда молекулы на дне посуды поднимаются и нагреваются, а более холодные и тяжелые молекулы опускаются. Это создает циркулирующий ток, который равномерно распределяет тепло по всему приготавливаемому веществу.
Например, когда кастрюлю с водой ставят на плиту для кипячения, тепло проводимости нагревает кастрюлю, которая затем нагревает молекулы воды внутри. Когда эти молекулы нагреваются, конвекция заставляет их удаляться от внутренней части горшка, поскольку они заменяются более холодными молекулами. Этот непрерывный поток создает конвекционный теплообмен внутри воды.
Механическая конвекция
Механическая конвекция возникает, когда внешние силы циркулируют тепло, что сокращает время приготовления и делает пищу более равномерной. Примеры этого включают перемешивание жидкости в кастрюле или когда 9В конвекционной печи 0277 используется вентилятор и вытяжная система, которые обдувают горячим воздухом пищу и вокруг нее, прежде чем выпустить его обратно.
Примеры приготовления с конвекцией
Вот несколько примеров того, как работает передача тепла посредством конвекции:
Вода закипает и циркулирует в кастрюле
Подача холодной воды на замороженные продукты, которая передает тепло продуктам для их более быстрого оттаивания
Воздух комнатной температуры, движущийся вокруг замороженных продуктов, чтобы разморозить их
Что такое радиационная кулинария?
В кулинарии излучение — это процесс, при котором тепловые и световые волны ударяются о пищу и проникают в нее. Таким образом, нет прямого контакта между источником тепла и готовящейся пищей. Существует два основных метода приготовления пищи с использованием лучистого тепла: инфракрасное и микроволновое излучение.
Инфракрасное излучение
Инфракрасное излучение использует электрический или керамический нагревательный элемент, испускающий волны электромагнитной энергии. Эти волны распространяются в любом направлении со скоростью света, чтобы быстро разогреть пищу, и в основном поглощаются поверхностью того, что вы готовите. Примерами вещей, создающих инфракрасное излучение, являются тлеющие угли в костре, тостеры и жаровни.
Микроволновое излучение
Микроволновое излучение использует короткие высокочастотные волны, проникающие в пищу, которые взбалтывают молекулы воды, создавая трение и передавая тепло. Если вы нагреваете твердое вещество, эта тепловая энергия передается через пищу за счет теплопроводности, а жидкости — за счет конвекции.
Микроволновая теплопередача обычно готовит пищу быстрее, чем инфракрасное излучение, поскольку она способна проникать в пищу на несколько дюймов вглубь. Имейте в виду, что микроволновое излучение работает лучше всего при приготовлении небольших порций пищи.
Примеры приготовления пищи с помощью излучения
Вот несколько примеров того, как работает передача тепла посредством излучения:
Согревание рук над огнем
Лежать на солнышке, чтобы согреться
Разогрев ужина в микроволновой печи
Используете ли вы кастрюлю на плите, в духовке с конвекцией или в мощной микроволновой печи, проводимость, конвекция и излучение окружают нас повсюду. Знание и понимание того, что такое теплопередача, как она работает и какой тип теплопередачи происходит во время приготовления пищи, может помочь вам лучше понять науку кулинарии и улучшить свои навыки шеф-повара.
Опубликовано в:
Кухня и кулинарные советы |
Ричард Трейлор
Связанные ресурсы
Что такое тепловой поток? — HuksefluxUSA
Содержание
Что такое тепло?
Что такое флюс?
Что такое тепловой поток?
Понимание теплопередачи
Формула теплового потока
Тепловой поток против теплового потока
Тепловой поток против конвекции
Что такое Flux Units?
Что такое единицы теплового потока?
Как измерить тепловой поток?
Применение теплового потока
Введение
Сначала нам нужно знать основы.
Что такое тепло?
Тепло – это просто передача энергии от объекта с более высокой температурой к объекту с более низкой температурой. Как цитируется Майклом Э. Брауном, доктором философии, тепло — это энергия, передаваемая между системой и ее окружением из-за разницы температур между ними. Например, если вы прикасаетесь к чьей-то руке, а она холодная, вы передаете часть своего тепла со своей руки на чужую. Мы производим тепло (тепло тела) из калорий.
Что такое Flux?
В данном контексте поток — это процесс перемещения или прохождения через поверхность или вещество.
Тепловой поток
Так что же такое тепловой поток?
Что такое тепловой поток?
Тепловой поток или тепловой поток, также известный как плотность теплового потока, — это скорость, с которой тепло передается на единицу площади в единицу времени через объект или вещество, обычно от более горячей области к более холодной. Обычно измеряется в ваттах на квадратный метр (Вт/м²) и является мерой потока энергии через материал или систему. Понимание теплового потока важно в широком спектре приложений, включая управление температурным режимом, энергоэффективность и теплопередачу.
Понимание теплопередачи
Какие существуют три типа теплопередачи?
Теплопередача – это передача тепловой энергии от одного тела к другому. Это может происходить посредством трех основных механизмов: проводимости, конвекции и излучения. Скорость теплопередачи, обозначаемая символом Q, представляет собой количество тепла, которое проходит в единицу времени. Этот поток тепла может быть измерен в различных единицах, но общепринятой единицей является БТЕ/ч. Этот блок часто используется в промышленных приложениях, где скорость теплопередачи имеет решающее значение для работы машин и систем.
Теплопроводность — это передача тепла через материал при столкновении атомов и молекул. Атомы и молекулы в материале могут поглощать и передавать тепловую энергию посредством столкновений с соседними атомами и молекулами.
Конвекция — это передача тепла через жидкость, такую как жидкость или газ. Тепло передается через жидкость за счет движения самой жидкости.
Излучение — передача тепла посредством электромагнитных волн. Это механизм, с помощью которого тепло передается через пространство, например, от солнца к земле.
Формула теплового потока
Формула теплового потока лучше всего описывается законом Фурье: q = -λΔT/Δx = -0,8 * 20 / 0,35
Скорость теплопередачи, обозначаемая символом Q, представляет собой количество тепла, которое передается на единицу времени. Этот поток тепла может быть измерен в различных единицах. Этот блок часто используется в промышленных приложениях, где скорость теплопередачи имеет решающее значение для работы машин и систем.
q = тепловой поток
к = теплопроводность
Т = температура

Тепловой поток в сравнении с тепловым потоком
Разница между тепловым потоком и тепловым потоком
Тепловой поток — это генерация и обмен тепловой энергией между физическими системами. Тепловой поток – это поток энергии на единицу площади в единицу времени.
Разница между тепловым потоком и конвекцией
Тепловой поток — это мера скорости теплопередачи на единицу площади, тогда как конвекция — это режим теплопередачи, который возникает при нагревании жидкости и ее подъеме, а также при охлаждении , он тонет, что приводит к непрерывной передаче тепла. Другими словами, тепловой поток — это скалярная величина, описывающая поток тепла через материал, тогда как конвекция относится к движению тепла в жидкости, обычно вызываемому разницей в плотности.
Единицы потока
Что такое единицы потока?
Единицы потока относятся к единицам, используемым для измерения скорости, с которой тепловая энергия передается через поверхность на единицу площади. Наиболее распространенными единицами измерения теплового потока являются ватты на квадратный метр (Вт/м2) и британские тепловые единицы на квадратный фут в час (БТЕ/фут2-ч).
Единицы измерения теплового потока
Что такое единицы измерения теплового потока?
Поток энергии на единицу площади в единицу времени известен как тепловой поток или тепловой поток. Он также известен как плотность теплового потока, плотность теплового потока или интенсивность теплового потока. Ватт на квадратный метр (Вт/м2) — это единица СИ. Это векторная величина, поскольку она имеет как направление, так и величину.
Измерение теплового потока
Как же измерить тепловой поток?
Тепловой поток можно измерять различными методами в зависимости от конкретного применения. Некоторые распространенные методы включают:
Термопары — это устройства, которые измеряют разницу температур между двумя точками. Их можно использовать для измерения теплового потока, поместив термопару на одну сторону материала и измерив разницу температур между термопарой и другой стороной материала.

q	=	тепловой поток
к	=	теплопроводность
Т	=	температура