Конвекция механизм передачи энергии: Теплопередача

Содержание

Виды теплопередачи: теплопроводность, конвекция и излучение

Различают три основных вида теплопередачи: теплопроводность, конвекция и излучение.

Теплопроводность: теплопередача посредством прямого контакта между двумя объектами. Это происходит без какого-либо движения самих объектов. В твердом материале тепло передается за счет вибрации молекул. Когда материал нагревается, молекулы получают энергию и начинают вибрировать быстрее. Эти быстро колеблющиеся молекулы передают свою энергию соседним молекулам, и эта передача энергии продолжается до тех пор, пока все молекулы в материале не приобретут одинаковое количество энергии. Проводимость наиболее эффективна в твердых телах и является медленным процессом в жидкостях и газах.
Конвекция: передача тепла движением внутри жидкости или газа. В теле, таком как воздух или вода, тепло передается из одного места в другое за счет движения молекул внутри тела. Конвекционные потоки возникают при нагревании жидкости, когда горячая масса поднимается вверх, а более холодная опускается. Этот перенос тепла известен как конвекция. Конвекция наиболее эффективна в жидкостях и газах и является наиболее распространенным способом передачи тепла в этих средах.
Излучение: теплопередача электромагнитными волнами, такими как инфракрасное излучение. Этот вид теплопередачи не требует физического контакта между источником тепла и нагреваемым объектом. Вместо этого тепло передается посредством излучения и поглощения электромагнитных волн. Излучение наиболее эффективно в вакууме и является медленным процессом в твердых телах, жидкостях.

Тип теплопередачи	Характеристики	Недостатки	Определение
Теплопроводность	Передача тепла за счет прямого контакта частиц без массопереноса	Низкая скорость переноса в твердых телах с низкой теплопроводностью	Передача тепла через материал без какого-либо движения самого материала.
Конвекция	Перенос тепла через движение масс жидкости или газа	Эффективность теплопередачи зависит от свойств жидкости и газа.	Передача тепла движением или перемешиванием масс среды, такой как газ или жидкость: горячая масса поднимается вверх, а холодная опускается.
Излучение	Передача тепла электромагнитными волнами	Не может передавать тепло через преграду, низкая скорость в твердых телах, жидкостях.	Перенос тепла путем электромагнитного излучения, особенно в инфракрасном диапазоне. Не требует физического контакта между источником тепла и нагреваемым объектом.

Содержание

Теплопроводность
Закон Видемана-Франца
Конвекция
Излучение

Теплопроводность

Теплопроводность материала зависит от нескольких факторов — температуры, типа и расположения составляющих материал атомов и молекул, а также наличия примесей или других веществ, которые могут препятствовать теплопередаче. Некоторые материалы являются хорошими проводниками тепла, например металлы, в то время как другие являются плохими проводниками тепла, например изоляторы.

Одним из ключевых свойств теплопроводности является ее температурная зависимость. Как правило, теплопроводность материала увеличивается с температурой, поскольку составляющие его атомы и молекулы движутся быстрее и передают больше энергии своим соседям. Эту зависимость можно количественно определить с помощью закона Видемана-Франца, который гласит, что теплопроводность материала пропорциональна его электропроводности.

Закон Видемана-Франца подробнее (для студентов)

Закон Видемана-Франца

Закон Видемана-Франца — это закон физики, связывающий теплопроводность материала с его электропроводностью. В нем говорится, что отношение теплопроводности к электропроводности материала пропорционально температуре и известно как число Лоренца. Закон выражается так:

L = (к / σ) Т

где L — число Лоренца, k — теплопроводность, σ — электропроводность, T — температура в градусах Кельвина.

Закон Видемана-Франца основан на идее, что тепло переносится свободными электронами в материале, а электропроводность материала пропорциональна количеству свободных электронов. Поскольку теплопроводность пропорциональна потоку тепла, она также пропорциональна потоку электронов.

Закон Видемана-Франца является полезным инструментом для прогнозирования теплопроводности материала на основе его электропроводности и наоборот. Это фундаментальный результат в области термоэлектрики, связанной с преобразованием тепла в электрическую энергию и наоборот.

На практике это хорошее приближение для многих материалов при высоких температурах, но отклонения от закона могут возникать при низких температурах или в материалах с особыми электронными структурами. Несмотря на эти отклонения, эту формулу часть используют при изучении термоэлектрических материалов и при разработке новых технологий преобразования тепла в электричество.

На теплопроводность материала также может влиять наличие примесей или других веществ. Например, добавление в металл небольшого количества примесей может значительно снизить его теплопроводность, что сделает его плохим проводником тепла. Точно так же теплопроводность материала может быть изменена наличием дефектов или других структурных аномалий, таких как границы зерен в поликристаллическом материале.

Для демонстрации теплопроводности металлический стержень с прикрепленными к нему с помощью воска гвоздиками устанавливают следующим образом: один конец закрепляют на штативе, а другой нагревают спиртовкой. Со временем гвоздики начнут падать со стержня, начиная с ближайшего к огню. Это происходит из-за повышения температуры, вызывающей плавление воска. Постепенное падение гвоздиков, а не всех сразу, указывает на то, что температура стержня повышалась постепенно. Это означает, что внутренняя энергия стержня также постепенно увеличивалась, поскольку она передавалась от одного конца стержня к другому — от более нагретого к менее нагретому, то есть мы наблюдаем явление теплопроводности.

С точки зрения приложений теплопроводность является важным свойством во многих областях, включая материаловедение, электронику, производство и использование энергии и термодинамику. Например, материалы с высокой теплопроводностью часто используются в теплообменниках, где необходимо быстро и эффективно передавать тепло от одной жидкости к другой. Точно так же материалы с низкой теплопроводностью часто используются в качестве изоляторов для предотвращения теплопередачи в электронных устройствах и в зданиях для уменьшения потерь тепла.
Процесс теплопроводности можно описать на основе поведения частиц внутри материала. Молекулы, находящиеся ближе всего к спиртовке, получают от нее энергию, в результате чего их внутренняя энергия возрастает. Это увеличение энергии приводит к тому, что молекулы вибрируют более интенсивно, и часть этой энергии передается соседним частицам. Эта передача энергии продолжается от частицы к частице, пока не достигнет всего стержня. С увеличением кинетической энергии частиц увеличивается и температура стержня.

Важно отметить, что теплопроводность происходит без какого-либо физического движения материи. Энергия просто передается от одного тела или части тела к другому.

Конвекция

Конвекция — это способ передачи тепла, возникающий из-за движения масс, таких как газ или жидкость, вызванного разницей в плотности. Это один из трех основных механизмов теплопередачи, наряду с теплопроводностью и излучением.

Конвекция является важным механизмом передачи тепла во многих физических системах, включая атмосферу Земли и океаны, а также в различных технических приложениях, таких как котлы и теплообменники.

Свойства конвекции зависят от температуры жидкости, ее вязкости, а также скорости и направления движения жидкости. В общем, скорость теплопередачи конвекцией пропорциональна градиенту температуры и скорости жидкости.

Конвекция

Одной из ключевых особенностей конвекции является то, что она передает тепло за счет движения частиц жидкости, в отличие от теплопроводности, при которой тепло передается за счет движения атомов и молекул внутри твердого материала. Это делает конвекцию эффективным механизмом теплопередачи, особенно когда среда находится в движении.

Конвекция зависит от наличия температурных градиентов, которые создают разницу в плотности между различными областями жидкости. Более плотная и холодная масса жидкости (или газа) опускается, а менее плотная и более теплая масса (жидкости или газа) поднимается, вызывая циркуляцию. Это круговое движение известно как конвекционная ячейка, и это движение приводит к передаче тепла от теплой массы к более холодной.

На эффективность конвекции могут влиять различные физические явления, такие как турбулентность, которая может увеличить скорость теплопередачи, разбивая ламинарные потоки на хаотические водовороты, которые более эффективно перемешивают массы жидкости (или газа). Точно так же выталкивающие силы, создаваемые разницей в плотности, играют решающую роль в определении скорости и направления движения.

Конвекция является фундаментальным механизмом теплопередачи, который играет решающую роль во многих физических системах и технических приложениях. Его свойства и эффективность зависят от температуры, вязкости, скорости и направления жидкости, а также от других факторов, таких как турбулентность и выталкивающая сила.

Излучение

Излучение (лучистый теплообмен) – это способ передачи тепла, возникающий за счет излучения электромагнитных волн более горячим объектом. Это один из трех основных механизмов теплопередачи, наряду с теплопроводностью и конвекцией.

Излучение является важным механизмом передачи тепла во многих физических системах, включая излучение Солнца, звезд, а также этот механизм используется в различных инженерных приложениях, таких как печи, топки и солнечные батареи.

Свойства излучения зависят от температуры и площади поверхности излучающего объекта, расстояния между объектом и приемником, а также от свойств промежуточной среды, такой как воздух или вакуум.

Одной из ключевых особенностей излучения является то, что оно не требует физической связи между излучающим и принимающим объектами и может проходить через вакуум, что делает его важным механизмом передачи тепла в космосе.

Эффективность излучения зависит от скорости излучения, которая пропорциональна четвертой степени температуры, и скорости поглощения, которая пропорциональна площади поверхности принимающего объекта и расстоянию между объектами. Скорость испускания излучения самая высокая при высоких температурах, а скорость поглощения самая высокая на больших площадях поверхности и на коротких расстояниях.

Длина волны и частота излучаемых электромагнитных волн также играют решающую роль в определении эффективности излучения. Например, видимый свет и ультрафиолетовое излучение поглощаются многими материалами, в то время как инфракрасное излучение способно глубже проникать в материалы и более эффективно поглощаться.

Черная поверхность, также известная как черное тело, представляет собой идеализированную поверхность, которая поглощает все входящее излучение и испускает излучение с максимально возможной скоростью для своей температуры. Другими словами, абсолютно черное тело — это теоретическая поверхность с коэффициентом излучения 1,0, что означает, что оно поглощает и излучает излучение со 100% эффективностью.

В физике черные тела используются в качестве эталона для изучения свойств излучения. Рассматривая количество излучения, испускаемого черным телом при различных температурах, ученые и инженеры могут лучше понять поведение реальных объектов, которые излучают и поглощают излучение.

Поглотители и излучатели — это реальные поверхности с коэффициентом излучения менее 1,0. Поглотители – это поверхности, которые в первую очередь поглощают излучение и преобразуют его в тепло. Излучатели — это поверхности, которые в основном излучают излучение, например, горячая плита или нагретый радиатор.

Эффективность переноса излучения между поверхностями зависит от коэффициента излучения поверхностей, их температуры и расстояния между ними. Принимая во внимание эти факторы, инженеры могут проектировать системы, которые максимизируют передачу излучения для данного приложения, например, проектирование высокотемпературных печей или космических систем солнечной энергии.

Разница между проводимостью, конвекцией и излучением

2019

В то время как проводимость — это передача тепловой энергии посредством прямого контакта, конвекция — это движение тепла за счет реального движения вещества; Излучение — это передача энергии с помощью электромагнитных волн.

Вещество присутствует вокруг нас в трех состояниях: твердое тело, жидкость и газ. Преобразование вещества из одного состояния в другое называется изменением состояния, которое происходит за счет теплообмена между веществом и его окружением. Таким образом, тепло — это переход энергии из одной системы в другую из-за разницы в температуре, которая происходит тремя различными способами: проводимость, конвекция и излучение.

Люди часто неверно истолковывают эти формы теплопередачи, но они основаны на разнообразном физическом взаимодействии для передачи энергии. Чтобы изучить разницу между проводимостью, конвекцией и излучением, давайте взглянем на статью ниже.

Сравнительная таблица

Основа для сравнения	кондукция	конвекция	излучения
Имея в виду	Проводимость — это процесс, при котором передача тепла происходит между объектами при непосредственном контакте.	Конвекция относится к форме теплопередачи, при которой энергетический переход происходит внутри жидкости.	Радиация намекает на механизм, в котором тепло передается без какого-либо физического контакта между объектами.
Представлять	Как тепло распространяется между объектами в прямом контакте.	Как тепло проходит через жидкости.	Как тепло течет через пустые пространства.
причина	Из-за разницы температур.	Из-за разницы в плотности.	Происходит от всех объектов при температуре выше 0 К.
встречаемости	Происходит в твердых телах, через молекулярные столкновения.	Происходит в жидкостях, фактическим потоком вещества.	Происходит на расстоянии и не нагревает промежуточное вещество.
Передача тепла	Использует нагретое твердое вещество.	Использует промежуточное вещество.	Использует электромагнитные волны.
скорость	Медленный	Медленный	Быстро
Закон отражения и преломления	Не следует	Не следует	следить

Определение поведения

Под проводимостью можно понимать процесс, который обеспечивает прямую передачу тепла через вещество из-за разницы в температуре между соседними частями объекта. Это происходит, когда температура молекул, присутствующих в веществе, увеличивается, что приводит к энергичным колебаниям. Молекулы сталкиваются с окружающими молекулами, заставляя их вибрировать, что приводит к переносу тепловой энергии в соседнюю часть объекта.

Проще говоря, всякий раз, когда два объекта находятся в прямом контакте друг с другом, происходит передача тепла от более горячего объекта к более холодному, что обусловлено проводимостью. Кроме того, объекты, которые позволяют теплу легко проходить через них, называются проводниками.

Определение конвекции

В науке конвекция подразумевает форму теплопередачи посредством реального движения вещества, которое происходит только в жидкостях. Под жидкостью подразумевается любое вещество, молекулы которого свободно перемещаются из одного места в другое, например жидкость и газы. Это происходит естественно или даже принудительно.

Гравитация играет большую роль в естественной конвекции, так что, когда вещество нагревается снизу, приводит к расширению более горячей части. Из-за плавучести более горячее вещество поднимается, так как оно менее плотное, и более холодное вещество заменяет его, опускаясь на дно из-за высокой плотности, которая при нагревании движется вверх, и процесс продолжается. В конвекции, при нагревании вещества, его молекулы рассеиваются и раздвигаются.

Когда конвекция выполняется принудительно, вещество вынуждено двигаться вверх любыми физическими средствами, такими как насос. Например, система воздушного отопления.

Определение радиации

Механизм теплопередачи, в котором не требуется среда, называется излучением. Это относится к движению тепла в волнах, так как ему не нужны молекулы для перемещения. Объект не должен находиться в прямом контакте друг с другом для передачи тепла. Всякий раз, когда вы чувствуете тепло, не касаясь объекта, это происходит из-за радиации. Кроме того, цвет, ориентация поверхности и т. Д. Являются одними из свойств поверхности, от которых сильно зависит излучение.

В этом процессе энергия передается через электромагнитные волны, называемые лучистой энергией. Горячие объекты обычно излучают тепловую энергию в более прохладную среду. Излучающая энергия способна перемещаться в вакууме от ее источника к более прохладной среде. Лучший пример излучения — солнечная энергия, которую мы получаем от Солнца, хотя это далеко от нас.

Существенные различия между проводимостью, конвекцией и излучением объясняются следующим образом:

Проводимость — это процесс, при котором тепло передается между частями континуума через прямой физический контакт. Конвекция — это принцип, при котором тепло передается потоками в жидкости, то есть жидкости или газе. Излучение — это механизм теплопередачи, в котором переход происходит через электромагнитные волны.
Проводимость показывает, как тепло передается между объектами, находящимися в непосредственном контакте, но конвекция отражает, как тепло распространяется через жидкости и газы. В отличие от этого излучение указывает, как тепло распространяется через места, где нет молекул.
Проводимость происходит в результате разницы в температуре, то есть тепловых потоков из области высокой температуры в область низкой температуры. Конвекция происходит из-за изменения плотности, так что тепло перемещается из области низкой плотности в область высокой плотности. Наоборот, все объекты выделяют тепло, имея температуру более 0 К.
Проводимость обычно происходит в твердых телах, через молекулярное столкновение. Конвекция происходит в жидкостях путем массового движения молекул в одном направлении. Напротив, Излучение происходит через вакуум пространства и не нагревает промежуточную среду.
Передача тепла осуществляется через нагретое твердое вещество по проводимости, а при конвекции тепловая энергия передается через промежуточную среду. В отличие от этого, рацион использует электромагнитные волны для передачи тепла.
Скорость проводимости и конвекции медленнее, чем излучение.
Проводимость и конвекция не подчиняются закону отражения и преломления, тогда как излучение подчиняется одному и тому же.

Заключение

Термодинамика — это исследование теплообмена и связанных с ним изменений. Проводимость — это не что иное, как передача тепла от горячей части к более холодной. Конвекция — это передача тепла движением жидкости вверх и вниз. Излучение возникает, когда тепло проходит через пустое пространство.

Передача и преобразование энергии

Энергия не может быть создана или уничтожена, а это означает, что общее количество энергии во Вселенной всегда было и всегда будет постоянным. Однако это не означает, что энергия неизменна; он может менять форму и даже перемещаться между объектами.

Типичным примером передачи энергии, который мы наблюдаем в повседневной жизни, является передача кинетической энергии — энергии, связанной с движением — от одного движущегося объекта к неподвижному объекту посредством работы. В физике работа является мерой передачи энергии и относится к силе, прилагаемой объектом на расстоянии. Когда клюшка для гольфа замахивается и ударяет по неподвижному мячу для гольфа, часть кинетической энергии клюшки передается мячу, поскольку клюшка «воздействует» на мяч. При передаче энергии, подобной этой, энергия переходит от одного объекта к другому, но остается в той же форме. Передачу кинетической энергии легко наблюдать и понять, но другие важные передачи не так легко визуализировать.

Тепловая энергия связана с внутренней энергией системы из-за ее температуры. Когда вещество нагревается, его температура повышается, потому что молекулы, из которых оно состоит, движутся быстрее и получают тепловую энергию за счет теплопередачи. Температура используется как мера степени «горячости» или «холодности» объекта, а термин «тепло» используется для обозначения передачи тепловой энергии от более горячей системы к более холодной. Передача тепловой энергии происходит тремя путями: теплопроводностью, конвекцией и излучением.

Когда тепловая энергия передается между соседними молекулами, находящимися в контакте друг с другом, это называется теплопроводностью. Если металлическую ложку поместить в кастрюлю с кипящей водой, то даже ее конец, не касающийся воды, сильно нагреется. Это происходит потому, что металл является эффективным проводником, а это означает, что тепло легко проходит через материал. Колебания молекул на конце ложки, касающейся воды, распространяются по всей ложке, пока все молекулы не станут вибрировать быстрее (т. е. вся ложка не нагреется). Некоторые материалы, такие как дерево и пластик, не являются хорошими проводниками — тепло не проходит через эти материалы — и вместо этого известны как изоляторы.

Конвекция происходит только в жидкостях, таких как жидкости и газы. Когда вода кипятится на плите, молекулы воды на дне кастрюли находятся ближе всего к источнику тепла и первыми получают тепловую энергию. Они начинают двигаться быстрее и растекаются, создавая меньшую плотность молекул на дне горшка. Затем эти молекулы поднимаются наверх горшка, а на дне их заменяет более холодная и плотная вода. Процесс повторяется, создавая поток молекул, опускающихся, нагревающихся, поднимающихся, охлаждающихся и снова опускающихся.

Третий тип теплопередачи — излучение — имеет решающее значение для жизни на Земле и важен для нагревания водоемов. При излучении источник тепла не должен касаться нагреваемого объекта; излучение может передавать тепло даже через космический вакуум. Почти вся тепловая энергия на Земле исходит от Солнца и излучается на поверхность нашей планеты в виде электромагнитных волн, таких как видимый свет. Материалы на Земле затем поглощают эти волны для использования в качестве энергии или отражают их обратно в космос.

При преобразовании энергии энергия меняет форму. Мяч, стоящий на вершине холма, обладает гравитационной потенциальной энергией, которая представляет собой потенциал объекта для выполнения работы из-за его положения в гравитационном поле. Вообще говоря, чем выше на холме находится этот шар, тем больше у него гравитационной потенциальной энергии. Когда сила толкает его вниз по склону, эта потенциальная энергия превращается в кинетическую энергию. Мяч продолжает терять потенциальную энергию и набирать кинетическую энергию, пока не достигнет подножия холма.

Во вселенной без трения мяч, достигнув дна, продолжал бы катиться вечно, так как у него была бы только кинетическая энергия. Однако на Земле мяч останавливается у подножия холма из-за того, что кинетическая энергия преобразуется в тепло противодействующей силой трения. Так же, как и при передаче энергии, при преобразованиях энергия сохраняется.

В природе передача и преобразование энергии происходят постоянно, например, в прибрежных дюнах.

Когда тепловая энергия излучается солнцем, она нагревает и сушу, и океан, но вода обладает большой удельной теплоёмкостью, поэтому нагревается медленнее, чем суша. Эта разница температур создает конвекционный поток, который затем проявляется в виде ветра.

Этот ветер обладает кинетической энергией, которую он может передавать песчинкам на пляже, перенося их на небольшое расстояние. Если движущийся песок сталкивается с препятствием, он останавливается из-за трения, создаваемого контактом, и его кинетическая энергия затем преобразуется в тепловую энергию или тепло. Когда со временем накапливается достаточное количество песка, эти столкновения могут создавать песчаные дюны и, возможно, даже целое поле дюн.

Эти новообразованные песчаные дюны создают уникальную среду обитания для растений и животных. Растение может расти в этих дюнах, используя световую энергию, излучаемую солнцем, для преобразования воды и углекислого газа в химическую энергию, которая запасается в сахаре. Когда животное ест растение, оно использует энергию, хранящуюся в этом сахаре, для обогрева своего тела и передвижения, преобразуя химическую энергию в кинетическую и тепловую энергию.

Хотя это может быть не всегда очевидно, вокруг нас постоянно происходят переносы и преобразования энергии, благодаря которым жизнь, какой мы ее знаем, существует.

4 Типы механизмов теплопередачи для охлаждения электрических шкафов

Охлаждение электрического шкафа включает процессы передачи тепла изнутри корпуса и отвода его в окружающий воздух. Существуют различные механизмы теплопередачи, включая конвекцию, теплопроводность, тепловое излучение и испарительное охлаждение.

Типы механизмов теплопередачи

Охлаждение корпуса включает комбинацию механизмов теплопередачи. Основные механизмы, используемые для охлаждения электрических корпусов, следующие:

Теплопроводность: Это передача тепла через твердое тело. Например, тепло, выделяемое внутри корпуса, передается на внешнюю поверхность посредством теплопроводности.
Конвекция: Конвекция – это передача тепла от поверхности посредством жидкости, такой как воздух. Естественная конвекция возникает при нагревании воздуха: он расширяется, поднимается вверх и вытесняется более холодным воздухом. Величину конвекции можно увеличить, используя вентилятор для увеличения потока воздуха.
Излучение: Это процесс, при котором энергия излучается через воздух посредством электромагнитного излучения. Хотя он эффективен для высокотемпературных источников, таких как солнце, он менее эффективен при температуре окружающей среды на Земле.
Испарение: Скрытая теплота жидкости может использоваться для передачи тепла путем поглощения энергии, необходимой для испарения этой жидкости. Поглощенное тепло высвобождается, позволяя жидкости конденсироваться вне корпуса.

Эти типы механизмов теплопередачи используются для охлаждения электрических корпусов несколькими способами. Вот несколько примеров:

Пассивное охлаждение

Пассивное охлаждение основано на естественной теплопроводности, конвекции и излучении. Этот метод подходит для малонагруженных шкафов с относительно большой площадью поверхности и хорошей вентиляцией. Температура окружающего воздуха должна быть ниже температуры корпуса. Этот метод не подходит для чувствительных к температуре компонентов при высоких температурах окружающей среды.

Принудительная вентиляция

Эффективность конвекции можно повысить за счет использования вентиляторов, увеличивающих поток воздуха через корпус. Холодный воздух втягивается в нижнюю часть корпуса, а горячий воздух выпускается вверху. Вентиляторы должны быть оснащены фильтрами для ограничения попадания грязи, которая может повредить компоненты. Чтобы электрические компоненты не перегревались, температура окружающей среды должна быть значительно ниже максимально допустимой температуры корпуса.

Технология тепловых трубок

Тепловые трубки, впервые разработанные в 1960-х годах, представляют собой практически безэнергетический метод охлаждения корпуса. Тепловая трубка состоит из вакуумированной медной трубки, частично заполненной жидкостью, такой как спирт или вода. Из-за низкого давления жидкость на дне трубы закипает, поглощая тепло из воздуха внутри корпуса. Пар поднимается вверх по трубе, где охлаждается воздухом снаружи корпуса и конденсируется. Затем сконденсированная жидкость возвращается на дно трубки, и цикл повторяется.

В теплообменниках «воздух-воздух» компании Thermal Edge используется эта новая технология для охлаждения герметичных электрических корпусов. Единственная необходимая энергия — это маленькие вентиляторы, которые циркулируют воздух вокруг горячего и холодного концов тепловой трубы.