Как происходит теплопередача: Как происходит передача тепла?

Содержание

Как происходит передача тепла? — Атлас Копко Россия

Поиск по вики-сайту о сжатом воздухе

Компрессоры
Подготовка воздуха
Промышленные газы
Основная информация
Рекомендации

Thermodynamics

Basic Theory

Compressed Air Wiki

Physics of Air Compressors

Термодинамика является одной из самых интересных отраслей физики, особенно применительно к воздушным компрессорам. В этой статье мы рассмотрим процесс передачи тепла в рамках нашего введения в термодинамику.

Любая разность температур внутри тела или между различными телами или системами приводит к передаче тепла, пока не будет достигнуто температурное равновесие. Такая теплопередача может осуществляться тремя различными путями:

проводимость
конвекция
излучение

В реальных ситуациях передача тепла происходит всеми тремя путями одновременно, но в разной степени.

Проводимость представляет собой процесс передачи тепла путем прямого контакта частиц. Она возникает между твердыми телами или между тонкими слоями жидкости или газа. Вибрирующие атомы передают часть своей кинетической энергии соседним атомам, которые вибрируют меньше.

Конвекция — это передача тепла между горячей поверхностью твердого тела и прилегающей неподвижной или движущейся текучей средой (газом или жидкостью), усиленная перемешиванием текучей среды. Она может происходить в виде свободной конвекции, при естественном движении в среде из-за разной плотности и температуры. Кроме того, это может быть принудительной конвекцией с движением жидкости, вызванным механическими устройствами, например, вентилятором или насосом. В результате повышенной скорости перемешивания принудительная конвекция обеспечивает значительно большую теплопередачу.

Излучение представляет собой передачу тепла через пустое пространство. Все тела с температурой выше 0 °К выделяют тепло в виде электромагнитного излучения во всех направлениях. Когда тепловые лучи попадают на тело, часть энергии поглощается и преобразуется в тепло этого тела. Лучи, оставшиеся не поглощенными, проходят через тело или отражаются им. В реальных ситуациях передача тепла представляет собой сумму теплообменов путем проводимости, конвекции и излучения, происходящих одновременно.

Передача тепла в каждой точке теплообменника зависит от преобладающей разности температур и общего коэффициента теплопередачи. Для ее расчета необходимо использовать логарифмическую среднюю разность температур Өm вместо линейной арифметической разности ΔT.

Логарифмическая средняя разность температур определяется как соотношение между разностями температур на двух сторонах соединения теплообменника в соответствии со следующим выражением:

Другие статьи по этой теме

Введение в термодинамику: основные принципы и законы газа

Чтобы понять процесс получения сжатого воздуха, необходимо определить некоторые базовые физические понятия. Узнайте больше о термодинамике и о том, как эта теория важна для понимания работы воздушных компрессоров.

Изменения в состоянии газов

Поток газа через трубопроводы и дросселирование

Что это — теплопередача? Теплопередача в природе и технике

Поговорим о том, что такое теплопередача. Под данным термином понимают процесс переноса энергии в веществе. Он отличается сложным механизмом, описывается уравнением теплопроводности.

Разновидности теплообмена

Как подразделяется теплопередача? Теплопроводность, конвекция, излучение – три способа передачи энергии, существующие в природе.

Каждый из них имеет свои отличительные характеристики, особенности, варианты применения в технике.

Теплопроводность

Под количеством теплоты понимают сумму кинетической энергии молекул. Они при столкновении способны передавать часть своего тепла холодным частицам. Теплопроводность максимально проявляется в твердых телах, менее характерна для жидкостей, абсолютно не свойственна для газообразных веществ.

В качестве примера, подтверждающего способность твердых тел передавать тепло от одного участка к другому, рассмотрим следующий эксперимент.

Если на стальной проволоке закрепить металлические кнопки, затем поднести конец проволоки к горящей спиртовке, постепенно кнопки от нее начнут отпадать. При нагревании молекулы начинают двигаться с большей скоростью, чаще сталкиваются между собой. Именно эти частицы отдают свою энергию и тепло более холодным областям. Если в жидкостях и газах не обеспечивается достаточно быстрого оттока тепла, это приводит к резкому увеличению градиента температуры в горячей области.

Тепловое излучение

Отвечая на вопрос о том, какой вид теплопередачи сопровождается переносом энергии, необходимо отметить именно этот способ. Лучистый перенос предполагает передачу энергии путем электромагнитного излучения. Данный вариант наблюдается при температуре от 4000К, описывается уравнением теплопроводности. Коэффициент поглощения зависит от химического состава, температуры, плотности определенного газа.

Теплопередача воздуха имеет определенный предел, при увеличении потока энергии происходит рост градиента температуры, рост коэффициента поглощения. После того, как значение градиента температуры превысит адиабатический градиент, возникнет конвекция.

Что такое теплопередача? Это физический процесс передачи энергии от горячего предмета к холодному при их непосредственном контакте или через перегородку, которая разделяет материалы.

Если тела одной системы обладают разной температурой, в таком случае процесс передачи энергии происходит до тех пор, пока между ними не установится термодинамическое равновесие.

Особенности теплопередачи

Что такое теплопередача? В чем особенности данного явления? Его невозможно остановить полностью, можно только уменьшить скорость его протекания? Используется ли теплопередача в природе и технике? Именно теплообмен сопровождает и характеризует многие природные явления: эволюция планет и звезд, метеорологические процессы на поверхности нашей планеты. К примеру, совместно с обменом массой, процесс передачи тепла позволяет анализировать испарительное охлаждение, сушку, диффузию. Он осуществляется между двумя носителями тепловой энергии через твердую стенку, выступающую в роли границы раздела тел.

Теплопередача в природе и технике — это способ характеристики состояния отдельного тела, анализа свойств термодинамической системы.

Закон Фурье

Его именуют законом теплопроводности, поскольку он связывает полную мощность потерь тепла, перепад температур с площадью сечения параллелепипеда, его длиной, а также с коэффициентом теплопроводности. К примеру, для вакуума данный показатель практически равен нулю. Причина подобного явления заключается в минимальной концентрации материальных частиц в вакууме, которые могут переносить тепло. Несмотря на подобную особенность, в вакууме существует вариант передачи энергии путем излучения. Применение теплопередачи рассмотрим на основе термоса. Стенки его делают двойными для того, чтобы увеличить процесс отражения. Между ними откачивают воздух, снижая при этом потери тепла.

Конвекция

Отвечая на вопрос о том, что такое теплопередача, рассмотрим процесс переноса тепла в жидкостях либо в газах путем самопроизвольного либо вынужденного перемешивания. В случае принудительной конвекции перемещение вещества вызвано воздействием внешних сил: лопастей вентилятора, насоса. Применяется подобный вариант в тех ситуациях, когда естественная конвекция не является эффективной.

Естественный процесс наблюдается в тех случаях, когда при неравномерном нагревании происходит нагревание нижних слоев вещества. Уменьшается их плотность, они поднимаются вверх. Верхние слои, напротив, охлаждаются, тяжелеют, опускаются вниз. Далее процесс неоднократно повторяется, а при перемешивании наблюдается самоорганизация в структуру вихрей, из конвекционных ячеек формируется правильная решетка.

Благодаря естественной конвекции образуются облака, выпадают атмосферные осадки, осуществляется движение тектонических плит. Именно путем конвекции на Солнце формируются гранулы.

Правильное использование теплопередачи гарантирует минимальную потерю тепла, максимальное потребление.

Суть конвекции

Для объяснения конвекции можно использовать закон Архимеда, а также теплового расширения твердых тел и жидкостей. По мере повышения температуры происходит увеличение объема жидкости, уменьшение плотности. Под воздействием силы Архимеда вверх стремится более легкая (нагретая) жидкость, а холодные (плотные) слои попадают вниз, постепенно прогреваются.

В случае прогрева жидкости сверху теплая жидкость остается в исходном положении, поэтому не наблюдается конвекции. Именно так происходит круговорот жидкости, который сопровождается переносом энергии от прогретых участков к холодным местам. В газах конвекция происходит по аналогичному механизму.

С термодинамической точки зрения конвекцию рассматривают как вариант передачи тепла, при котором перенос внутренней энергии идет отдельными потоками веществ, нагретых неравномерно. Подобное явление встречается в природе и в быту. К примеру, отопительные радиаторы устанавливают на минимальной высоте от пола, вблизи подоконника.

Холодный воздух прогревается батареей, затем постепенно поднимается вверх, где он смешивается с холодными воздушными массами, опускаемыми от окна. Конвекция приводит к установлению в помещении равномерной температуры.

Среди распространенных примеров атмосферной конвекции приведем ветры: муссоны, бризы. Воздух, который нагревается над одними фрагментами Земли, охлаждается над другими, в результате чего происходит его циркуляция, осуществляется перенос влаги и энергии.

Особенности естественной конвекции

На нее влияет сразу несколько факторов. К примеру, воздействует на скорость естественной конвекции суточное движение Земли, морские течения, рельеф поверхности. Именно конвекция является основой выхода из кратеров вулкана и труб дыма, образования гор, парения различных птиц.

В заключение

Тепловое излучение является электромагнитным процессом со сплошным спектром, который испускается веществом, возникает благодаря внутренней энергии. Для того чтобы провести расчеты теплового излучения, в физике используют модель черного тела. Описывают тепловое излучение с помощью закона Стефана-Больцмана. Мощность излучения такого тела находится в прямо пропорциональной зависимости от площади поверхности и температуры тела, взятой в четвертой степени.

Теплопроводность возможна в любых телах, которые имеют неоднородное распределение температур. Суть явления заключается в изменении кинетической энергии молекул и атомов, определяющей температуру тела. В некоторых случаях теплопроводность считают количественной способностью определенного вещества проводить тепло.

Масштабные процессы обмена тепловой энергией не ограничиваются нагреванием поверхности земли солнечным излучением.

Серьезные конвекционные потоки в земной атмосфере характеризуются изменениями на всей планете погодных условий. При перепадах температур в атмосфере между полярными и экваториальными областями возникают конвекционные потоки: струйные течения, пассаты, холодные и теплые фронты.

Перенос тепла от земного ядра к поверхности вызывает извержения вулканов, возникновение гейзеров. Во многих регионах применяют геотермальную энергию для получения электрической энергии, обогрева жилых и промышленных помещений.

Именно теплота становится обязательным участником многих производственных технологий. Например, обработка и выплавка металлов, изготовление продуктов питания, переработка нефти, работа двигателей — все это осуществляется только при наличии тепловой энергии.

Как передается тепло? Проводимость — Конвекция — Излучение

Что такое тепло?

Вся материя состоит из молекул и атомов. Эти атомы всегда находятся в разных видах движения (поступательном, вращательном, колебательном). Движение атомов и молекул создает тепло или тепловую энергию. Вся материя обладает этой тепловой энергией. Чем большее движение имеют атомы или молекулы, тем больше тепла или тепловой энергии они будут иметь.

Это анимация, сделанная из короткого молекулярно-динамикового
имитация воды. Зеленые линии представляют собой водородные связи между кислородом и
водород. Обратите внимание на плотную структуру воды

Водородные связи
намного слабее, чем ковалентная связь. Однако при большом количестве водорода
облигации действуют в унисон, они окажут сильный сопутствующий эффект. В этом случае
в воде показано здесь.

Жидкая вода имеет частично упорядоченный
структура, в которой постоянно образуются и распадаются водородные связи.
Из-за короткого промежутка времени (порядка нескольких пикосекунд) мало связей

Что такое температура?

Из приведенного выше видео, показывающего движение атомов и молекул, видно, что некоторые из них движутся быстрее, чем другие. Температура – это среднее значение энергии для всех атомов и молекул в данной системе. Температура не зависит от количества вещества в системе. Это просто среднее значение энергии в системе.

Как передается тепло?

Тепло может перемещаться из одного места в другое тремя способами: проводимостью, конвекцией и излучением. И теплопроводность, и конвекция требуют вещества для передачи тепла.

Если между двумя системами существует разница температур, тепло всегда найдет способ перейти от более высокой системы к более низкой.

ПРОВОДИМОСТЬ- —

Теплопроводность – это передача тепла между веществами, находящимися в непосредственном контакте друг с другом. Чем лучше проводник, тем быстрее будет передаваться тепло. Металл хорошо проводит тепло. Проводимость возникает, когда вещество нагревается, частицы получают больше энергии и сильнее вибрируют. Затем эти молекулы сталкиваются с соседними частицами и передают им часть своей энергии. Затем это продолжается и передает энергию от горячего конца к более холодному концу вещества.

КОНВЕКЦИЯ —

Тепловая энергия передается от горячих мест к холодным посредством конвекции. Конвекция возникает, когда более теплые области жидкости или газа поднимаются к более холодным областям жидкости или газа. Более холодная жидкость или газ занимают место более теплых областей, которые поднялись выше. Это приводит к непрерывной схеме циркуляции. Вода, кипящая в кастрюле, является хорошим примером этих конвекционных потоков. Другой хороший пример конвекции находится в атмосфере. Поверхность земли прогревается солнцем, теплый воздух поднимается вверх, а холодный поступает внутрь.

ИЗЛУЧЕНИЕ- —

Излучение – это способ передачи тепла, который не зависит от какого-либо контакта между источником тепла и нагретым объектом, как в случае теплопроводности и конвекции. Тепло может передаваться через пустое пространство с помощью теплового излучения, часто называемого инфракрасным излучением. Это тип электромагнитного излучения . В процессе излучения не происходит обмена масс и не требуется никакой среды. Примерами излучения является тепло от солнца или тепло, выделяемое нитью накаливания лампочки.

ИСТОЧНИКИ И ВЫБОР ЧИТАТЕЛЕЙ –

Тепло и температура от Cool Cosmo — НАСА

Вот хороший апплет, показывающий движение молекул – вы можете молекулы меняются.

Важные температуры в кулинарии и кулинарии

Родственные виды деятельности

Как перемещается 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.