Как передается тепло: Способы передачи тепла | Электротест 24

Способы передачи тепла.

ЛЕКЦИЯ № 13

ТЕПЛОВЫЕ ПРОЦЕССЫ В
ФАРМАЦЕВТИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ

  1. Способы
    передачи тепла.

    1. Теплопроводность.

    2. Конвекция.

    3. Тепловое
      излучение.

  2. Источники
    тепла, теплоносители.

    1. Прямые
      теплоносители

  • Топочные
    газы

  • Электроэнергия

    1. Промежуточные
      теплоносители.

  • Охлаждающие
    агенты

  • Нагревающие
    агенты

  1. Теплообменники.

3.1. Классификация теплообменников

  1. Перспективы
    исследования теплообменных процессов.

Технологические процессы, скорость
которых определяется скоростью подвода
или отвода тепла, называют тепловыми.
К ним относятся нагревание, охлаждение,
конденсация, испарение (сушка, выпаривание
жидкостей) и др. Тепловые процессы широко
распространены в фармацевтическом
производстве. Они протекают при различных
температурах. Самопроизвольно (без
затраты энергии) тепло может передаваться
только от среды с более высокой
температурой к среде с более низкой
температурой. Эта разность температур
является движущей силой процесса
теплообмена. Теплообмен между телами
представляет собой обмен энергией между
молекулами, атомами и свободными
электронами. В результате теплообмена
интенсивность движения частиц более
нагретого тела снижается, а менее
нагретого возрастает. Тела, участвующие
в теплообмене, называются теплоносителями.

Передача тепла от одного тела к другому
может осуществляться 3 способами:

    1. теплопроводностью,

    2. конвекцией,

    3. тепловым
      излучением.

    1. Теплопроводность.

Теплопроводность
– это процесс распространения тепла
между частицами тела, находящимися в
соприкосновении. При этом тепловая
энергия передается от одной частицы к
другой вследствие их колебательного
движения, без перемещения друг относительно
друга. Теплопроводность является
основным видом распространения тепла
в твердых телах за счет колебания атомов
в кристаллической решетке или диффузии
электронов в металлах. В чистом виде
теплопроводность может встречаться
также в неподвижных слоях жидкостей,
газов или паров.

Основным
законом передачи тепла теплопроводностью
является закон Фурье, согласно которому:

(1)

где Q
– количество передаваемого тепла
(например, через металлическую стенку)
(Дж)

F
– площадь поверхности (м2)

(t1
– t2) – разность
температур (Со)

τ
– время (с)

σ –
толщина стенки (м)

λ –
коэффициент теплопроводности

    1. Конвекция.

Конвекция
– процесс переноса тепла вследствие
движения или перемешивания макроскопических
объемов жидкости или газа. Конвективный
теплообмен происходит одновременно с
теплопроводностью. Он может быть
естественным (свободным) при наличии
разности давлений, плотностей и других
условий, или принудительным – при
перемешивании жидкостей или газов.
Перенос тепла конвекцией тем интенсивнее,
чем более турбулентно движется вся
масса жидкости. При этом уменьшается
толщина пограничного ламинарного слоя
у поверхности стенки, вдоль которой
движется теплоноситель. Поскольку в
самом ламинарном слое процесс передачи
тепла осуществляется теплопроводностью,
а теплопроводность газов и жидкостей
невелика, то для интенсификации
конвективного обмена необходимо
уменьшить толщину пограничного слоя.
К уменьшению его толщины приводит
повышение турбулентности потока
теплоносителя.

Со
сложным механизмом конвективного обмена
связаны трудности расчетов процесса
теплоотдачи. Для удобства расчета в
основу его кладут уравнение Ньютона,
согласно которому количество тепла,
переданное от теплообменной поверхности
к окружающей среде (жидкость, газ) или
наоборот, прямо пропорционально
поверхности теплообмена, разности
температур поверхности и окружающей
среды и времени, в течение которого
осуществляется теплообмен:

Уравнение
Ньютона (конвективный теплообмен)

Q = α
· F · Δt ּ
τ (2)

где Q – количество тепла,
переданное от теплообменной поверхности
к окружающей среде (Дж)

α
– коэффициент теплоотдачи

F
– поверхность теплообмена (м2)

Δt
– разность температур поверхности и
окружающей среды (Со)

τ
– время (с)

Величина
α зависит от многих
факторов: характера движения теплоносителя
(ламинарный, турбулентный), его скорости,
физических свойств (вязкость, плотность,
теплопроводность), размера и формы
поверхности теплообмена.

    1. Тепловое излучение.

Передача
тепла излучением происходит путем
переноса тепловой энергии в виде
электромагнитных волн различной длины
(0,4-40 мкм), которые лежат в основном в ИК
области спектра. В этом случае тепловая
энергия переходит в лучистую, а лучистая
при поглощении телом вновь превращается
в тепло.

Лучеиспускание
свойственно всем телам, имеющим
температуру выше нуля (по шкале Кельвина).
Твердые тела способны испускать волны
всех длин спектра при любой температуре.
Однако интенсивность теплового излучения
возрастает с повышением температуры
тела, и при высоких температурах (>600оС)
лучистый обмен между твердыми телами
и газами приобретает основное значение.

Поток
лучей, испускаемый нагретым телом,
попадая на поверхность другого
лучеиспускающего тела, частично
поглощается, частично отражается и
частично проходит сквозь тело без
изменений. Лучеиспускательная способность
тела тем выше, чем больше его поглощающая
способность. Этим объясняется наивысшая
лучеиспускательная способность абсолютно
черного тела.

Согласно
закону Стефана-Больцмана количество
тепла Q (Дж) абсолютно
черного тела, излучаемого в единицу
времени, пропорционально поверхности
излучающего тела и четвертой степени
его абсолютной температуры:

(3)

где Q
– количество тепла абсолютно черного
тела
, излучаемого в единицу времени
(Дж)

Co
– коэффициент лучеиспускания абсолютно
черного тела

F
– поверхность излучающего тела (м2)

T
– абсолютная температура (Ко)

Для
серых тел:

С = ε ּ
Со , где ε – степень черноты
тела.

Значения
ε приводятся в специальной и справочной
литературе.

Рассмотренные
способы передачи тепла раздельно
встречаются редко, они обычно сопутствуют
друг другу, т. е. происходит сложный
теплообмен.

Как тепло передается излучением? 5 фактов, которые вы должны знать

By Праджакта Гхарат

Есть разные способы передачи тепла, такие как теплопроводность, конвекцией и радиация. В этой статье мы подробно рассмотрим, как тепло передается излучением.

В отличие от теплопроводности и конвекции, излучение — это способ передачи тепла, который не требует физического контакта между источником тепла и нагретым предметом, как в случае обоих. Тепловое излучение, часто известное как инфракрасное излучение, способно передавать тепло через пустое пространство. Это разновидность электромагнитного излучения, используемого в электронике. Когда происходит излучение, масса не передается, и для облегчения процесса не требуется никакой среды. Здесь очень много примеры радиационной теплопередачи в нашей повседневной жизни, как солнечный свет, костер, уголь и т. д.

Кредиты на изображения: “080731-1040630»(CC BY 2.0) от Вейфер Х

Объяснение:

Тепловое излучение возникает в результате внутреннего столкновения частиц в веществе, когда его температура превышает абсолютный ноль градусов Цельсия. Тепловое излучение всегда испускается всем веществом с температурой выше абсолютного нуля градусов Цельсия. Так же, как и все другие электромагнитные излучения, тепловое излучение может перемещаться в космосе без необходимости в среде, и именно поэтому энергия Солнца может достигать Земли.

Излучение, создаваемое межатомными столкновениями заряженных частиц, которые передают энергию от излучающего тела в форме электромагнитного излучения, называется тепловым излучением или инфракрасным излучением. Эти лучи энергии могут поглощаться другими удаленными объектами, что приводит к увеличению внутренней энергии частиц этого объекта. Это заставляет частицы в этом объекте перемещаться быстрее и чаще сталкиваться, высвобождая энергию в виде тепла и приводя к повышению температуры рассматриваемого объекта.

Тепловое излучение, в отличие от других видов теплопередачи, таких как проводимость или конвекция, может быть сфокусирован на фокусе с помощью отражающих зеркал, что и делается при производстве солнечной энергии для выработки электроэнергии.

Константу Стефана-Больцмана можно использовать для расчета скорости передачи тепловой энергии излучением.

Где, 𝑸 = тепловой поток 

𝛆 = излучательная способность 

𝝈 = постоянная Стефана-Больцмана 

T = Абсолютная температура

Теплопередачу в двух телах можно рассчитать следующим образом:

Научное объяснение радиационной теплопередачи гласит, что все, что выше абсолютного нуля, генерирует электромагнитное излучение из-за колебаний заряженных частиц. Таким образом, все в нашем космосе излучает радиацию.


Часто задаваемые вопросы

В. Что вы подразумеваете под теплом?

Ответ: Проще говоря, тепло — это просто ощущение тепла.

Молекулы и атомы являются строительными блоками всего материала. Эти атомы постоянно движутся в разных направлениях (поступательное, вращательное, колебательное). Движение атомов и молекул приводит к выделению тепла или тепловой энергии. Тепловую энергию можно найти во всем. Чем больше количество движения, которое имеют атомы или молекулы, тем большее количество тепла или тепловой энергии они будут иметь.

В. Что вы подразумеваете под температурой?

Ответ: Количество, которое представляет ощущение жара и прохлады.

Среднее значение энергии для всех атомов и молекул в указанной системе представлено температурой. Температура системы не зависит от количества вещества, присутствующего в системе. Это не что иное, как средство использования энергии системы в целом.

В. Как передается тепло?

Ответ: Тепло может передаваться из одного места в другое с помощью трех различных механизмов: проводимости, конвекции и излучения. 

И теплопроводность, и конвекция требуют передачи тепла за счет использования материалов. Передача тепловой энергии от одной системы к другой неизбежна, если между ними действительно существует разница температур.

Изображение Кредиты: Kmecfiunit, Средства теплопроводности1, CC BY-SA 4.0

  • Проводимость: Перемещение тепловой энергии между материалами, находящимися в непосредственном контакте друг с другом, называется теплопроводностью. Лучше это проводимость материала, тем быстрее будет передаваться тепло. Металл обладает отличными свойствами теплопроводности. Когда тепло передается материалу, частицы получают больше энергии и больше вибрируют, что называется теплопроводностью. Затем эти молекулы сталкиваются с соседними частицами, передавая им при этом часть своей энергии. Затем этот процесс продолжается, передавая энергию от нагретого конца материала к более холодному концу материала.
  • Конвекция:  Конвекция — это процесс, посредством которого тепловая энергия переносится из горячей среды в холодную. Когда более теплые части жидкости или газа поднимаются на поверхность более холодной области жидкости или газа, возникает конвекция. После этого более холодная жидкость или газ замещают более теплые области, которые поднялись выше в атмосфере. В результате создается непрерывная схема циркуляции. Конвекционные потоки, создаваемые кипятком в кастрюле, являются отличным примером. Конвекцию также можно наблюдать в атмосфере, что является еще одним ярким примером. Когда поверхность земли нагревается солнцем, теплый воздух поднимается вверх, а холодный входит внутрь, создавая парниковый эффект.
  • Радиация: В отличие от теплопроводности и конвекции, излучение — это форма теплопередачи, которая не требует какого-либо взаимодействия тела между источником тепла и нагретым предметом, как в случае обоих. Тепловое излучение, часто известное как инфракрасное излучение, способно передавать тепло через пустое пространство. Это тип электромагнитного излучения, который используется в электронике. Когда происходит излучение, масса не передается, и для облегчения процесса не требуется никакой среды. Излучение может быть представлено, например, теплом, излучаемым солнцем, или теплом, излучаемым нитью накаливания лампочки.  

В. Какой из процессов считается быстрым при теплопередаче?

Ответ: Радиационная теплопередача — это быстрый и быстрый процесс по сравнению с двумя другими типами теплопередачи, а именно теплопроводностью и конвекцией.

Все мы знаем, что излучение является наиболее эффективным путем передачи тепла, поскольку излучение распространяется со скоростью света, а это очень быстро. Проводимость — это самый медленный вид переноса тепла, поскольку он происходит от частицы к частице и, следовательно, является наиболее неэффективным.


Как движется тепло?

Как движется тепло?

Как
и почему мы контролируем тепло на космическом корабле?

Тепло распространяется тремя способами: излучением, теплопроводностью и конвекцией.

Излучение происходит, когда тепло движется в виде энергетических волн, называемых инфракрасными лучами.
волны, прямо от своего источника к чему-то еще. Вот так тепло от
Солнце попадает на Землю. На самом деле все горячие предметы отдают тепло более холодным.
вещи. Когда тепловые волны достигают более холодных предметов, они создают молекулы
более холодный объект ускоряется. Когда молекулы этого объекта ускоряются,
объект становится горячее.

Инфракрасные волны являются частью спектра энергетических волн, известного как электромагнитное излучение.
спектр. Электромагнитный спектр включает в себя все виды энергии, которые могут
путешествовать волнами, включая свет, тепло, рентгеновские лучи, радиоволны, ультрафиолетовые волны
и микроволновки.

Все эти виды волн содержат много энергии. Кроме того, все они могут путешествовать
через глубокий космос. Вот почему мы можем видеть солнечный свет от звезд, миллиарды света
лет. Свет от них излучается к нам.

Теплопроводность — это еще один способ передачи тепла.
Тепло — это форма энергии, и когда оно вступает в контакт с материей (что-либо
что вы можете потрогать физически) это заставляет атомы и молекулы двигаться. Один раз
атомы или молекулы движутся, сталкиваются с другими атомами или молекулами,
заставить их двигаться тоже. Затем они сталкиваются с другими молекулами и заставляют их
двигаться тоже. Таким образом, тепло передается через вещество.

Теплопроводность делает ручку кастрюли горячей, когда только дно
горшок касается плиты. Тепло от горелки запускает молекулы в
контакт с горелкой начинает двигаться. Эти молекулы сталкиваются с другими в
горшке, которые толкают других, пока все молекулы в горшке, в том числе и в
ручка, двигаются. Когда кто-то касается ручки кастрюли, он чувствует тепло.
Тепло передается от горелки к руке повара посредством теплопроводности.

Теплопроводность является важным способом распространения тепла в пространстве, но только
внутри космический корабль. Поскольку в глубоком космосе очень мало материи,
тепло не может покинуть космический корабль за счет теплопроводности.

Конвекция очень важный способ нагрева
движется на Земле, но не имеет большого значения в космосе. Конвекция происходит, когда
вещество, которое может течь, как вода или воздух, нагревается в присутствии
сила тяжести. Когда воздух или вода находятся в присутствии гравитации, гравитация притягивает
все вниз. Нижняя часть воздуха или воды становится более плотной, потому что она
тянется вниз, а также толкается вниз под весом молекул сверху
этого.

Когда на дне этого воздуха или воды есть тепло, молекулы воздуха или воды
при соприкосновении с теплом начинают двигаться, и молекулы расходятся.
нагретый воздух или вода становятся менее плотными. Он поднимается вверх, пока не попадет в воздух или
вода с той же плотностью, что и у него, и, попав туда, толкает
воздух или вода, которые были там в стороне. В то же время новый воздух или вода
заполняет пространство, освободившееся при подъеме нагретых молекул. Воздух
или вода, которую выталкивают с пути, падает вниз. Это устанавливает циркуляр
движение. Воздух или вода нагреваются внизу, поднимаются вверх, охлаждаются,
плотнее, падает, снова нагревается и весь цикл начинается снова. Конвекция
не происходит в космосе, потому что нет гравитации.

Духовки работают за счет конвекции. Нагревательные змеевики в нижней части печи нагревают
воздух, который поднимается наверх, немного охлаждается и снова падает вниз.


Что такое тепло?
Что может пойти не так
на DS1, если станет слишком холодно?
Что может пойти не так
на DS1, если слишком много тепла?

Получит ли DS1
нагревается непосредственно солнцем?
Делает
тепло распространяется в космосе иначе, чем на Земле?
Что
роль Солнца в космических миссиях, таких как DS1?

Что еще
виды энергии, которые космический корабль выбрасывает в космос?
Что делает ЭМ
радиация?
Где
энергия приходит и уходит?
Что
происходит с теплом после того, как оно выпущено в космос?


Теплопередача в атмосфере

Тепло  движется в атмосфере так же, как оно проходит через твердую Землю (глава «Тектоника плит») или другую среду. Далее следует обзор того, как тепло течет и передается, но применительно к атмосфере. Излучение — это передача энергии между двумя объектами с помощью электромагнитных волн. Тепло излучается от земли в нижние слои атмосферы.

В проводимости тепло перемещается из областей с более высокой температурой в области с меньшей теплотой посредством прямого контакта. Более теплые молекулы быстро вибрируют и сталкиваются с другими соседними молекулами, передавая свою энергию. В атмосфере проводимость более эффективна на более низких высотах, где плотность воздуха выше; переносит тепло вверх туда, где молекулы расходятся дальше друг от друга, или переносит тепло в боковом направлении от более теплого места к более холодному, где молекулы движутся менее энергично.

Теплопередача при движении нагретых материалов называется конвекцией . Тепло, излучаемое землей, инициирует конвекционные ячейки в атмосфере.

Тепло на поверхности Земли

Около половины солнечного излучения, попадающего на верхние слои атмосферы, отфильтровывается до того, как достигает земли. Эта энергия может поглощаться атмосферными газами, отражаться облаками или рассеиваться. Рассеяние происходит, когда световая волна ударяется о частицу и отражается в другом направлении.

Около 3 % энергии, падающей на землю, отражается обратно в атмосферу. Остальное поглощается камнями, почвой и водой, а затем излучается обратно в воздух в виде тепла. Эти инфракрасные длины волн могут быть обнаружены только инфракрасными датчиками.
Из-за того, что солнечная энергия постоянно поступает в атмосферу Земли и на поверхность земли, становится ли планета горячее? Ответ — нет (хотя в следующем разделе содержится исключение), потому что энергия Земли уходит в космос через верхние слои атмосферы. Если количество исходящего воздуха равно количеству поступающего, то средняя глобальная температура остается неизменной. Это означает, что тепловой баланс планеты находится в равновесии. Что произойдет, если больше энергии поступает, чем уходит? Если уходит больше энергии, чем поступает?

Говорить, что тепловой баланс Земли сбалансирован, значит игнорировать важный момент. Количество поступающей солнечной энергии различно на разных широтах). Как вы думаете, где кончается больше всего солнечной энергии и почему? Куда уходит меньше всего солнечной энергии и почему?

Разница в солнечной энергии, получаемой на разных широтах, вызывает атмосферную циркуляцию.

Продолжительность дня Солнечный угол Солнечное излучение Альбедо
Экваториальный регион Почти одинаково весь год Высокий Высокий Низкий
Заполярье Ночь 6 месяцев Низкий Низкий Высокий

Парниковый эффект

Исключением температурного баланса Земли являются парниковые газы. Но сначала необходимо объяснить роль парниковых газов в атмосфере. Парниковые газы нагревают атмосферу, улавливая тепло. Часть теплового излучения земли улавливается парниковыми газами в тропосфере. Как одеяло на спящем человеке, парниковые газы служат изоляцией для планеты. Потепление атмосферы из-за изоляции парниковыми газами называется парниковый эффект . Парниковые газы являются компонентом атмосферы, который снижает температуру Земли.

Парниковые газы включают CO 2 , H 2 O, метан, O 3 , закиси азота (NO и NO 2 ) и хлорфторуглероды (CFC). Все они являются нормальной частью атмосферы, кроме фреонов. В таблице ниже показано, как каждый парниковый газ естественным образом попадает в атмосферу.

Парниковый газ Откуда это
Углекислый газ Дыхание, извержения вулканов, разложение растительного материала; сжигание ископаемого топлива
Метан Разложение растительного сырья при некоторых условиях, биохимические реакции в желудке
Закись азота Вырабатывается бактериями
Озон Атмосферные процессы
Хлорфторуглероды Не встречается в природе; сделано людьми

Различные парниковые газы обладают различной способностью удерживать тепло.