Сопряженная теплопередача | Блог COMSOL

В этой статье мы объясним, что такое сопряженная теплопередача, и продемонстрируем несколько примеров. Сопряженной теплопередачей называется теплообмен в твердых телах и жидкостях. В твердых телах основным способом теплопередачи является теплопроводность, а для жидкостей более характерна конвекция. Явление сопряженной теплопередачи проявляется во множестве ситуаций. Например, конструкция радиатора оптимизируется для того, чтобы объединить теплопередачу посредством теплопроводности материала, из которого изготовлен радиатор, и конвекцию окружающей его жидкости.

Теплопередача в твердых телах и жидкостях

Теплопередача в твердом теле

В большинстве случаев теплопередача в твердых телах, вызванная исключительно теплопроводностью материала, описывается законом Фурье, согласно которому плотность теплового потока, q, пропорциональна градиенту температуры: q=-k\nabla T.

Для нестационарной задачи поле температуры в неподвижном твердом теле следует уравнению теплопроводности в следующей форме:

\rho C_{p} \frac{\partial T}{\partial t}=\nabla \cdot (k\nabla T) +Q

Теплопередача в жидкости

Из-за движения жидкости в уравнение добавляются еще три слагаемых:

1. Перемещение жидкости также предполагает передачу энергии, что проявляется в виде конвекционной составляющей в уравнении теплового баланса. В зависимости от тепловых характеристик жидкости и режимов потока может преобладать теплопередача посредством либо конвекции, либо теплопроводности.
2. Вязкостные явления в потоке жидкости приводят к ее нагреву. Диссипативным эффектом часто пренебрегают, однако в высокоскоростных потоках вязких жидкостей его влияние может быть существенно.
3. Поскольку плотность жидкости зависит от температуры, в уравнение теплового баланса добавляется новое слагаемое — работа давления. Примером может служить хорошо известный пример образования тепла при сжатии воздуха.

Учет теплопроводности и слагаемых, описывающих перечисленные механизмы, приводит к следующему нестационарному уравнению теплопроводности для поля температуры в жидкости:

\rho C_{p} \frac{\partial T}{\partial t}+\rho C_p\bold{u}\cdot\nabla T= \alpha_p {T}\left( \frac{\partial p_\mathrm{A}}{\partial t}+\bold{u}\cdot\nabla p_\mathrm{A}\right)+\tau : S+\nabla \cdot (k\nabla T) +Q

Прикладные задачи, связанные с сопряженной теплопередачей

Высокоэффективная теплопередача

Возможность эффективного объединения процессов теплопередачи в твердых телах и жидкостях является ключевой для проектирования высокоэффективных охладителей, нагревателей и теплообменников.

Обычно для передачи теплоты на большие расстояния используются жидкие теплоносители. Самым распространенным способом обеспечения высокой интенсивности теплопередачи является вынужденная конвекция. В некоторых случаях рабочие характеристики подобных устройств становятся еще лучше благодаря сочетанию конвекции и фазовых переходов (например, кипения воды).

Несмотря на это, в теплообменнике также нужны твердые тела, которые разделяют жидкости и позволяют им передавать тепло, но не смешиваться друг с другом.

Поле течения и температуры в кожухотрубном теплообменнике демонстрирует процесс теплопередачи между двумя разделенными тонкой металлической стенкой жидкостями.

Радиаторы обычно изготавливают из металла, обладающего высокой теплопроводностью (например, меди или алюминия). Они рассеивают тепло, увеличивая площадь поверхности теплообмена между твердотельной частью конструкции и окружающей ее жидкостью.

Поле температуры в блоке питания. Температура снижается за счет охлаждения воздухом, продуваемым с помощью вентилятора и перфорированной решетки. Два алюминиевых ребра используются для увеличения площади поверхности теплообмена между потоком воздуха и электронными компонентами.

Энергосбережение

Процессы теплообмена в жидкостях и твердых телах также могут быть объединены для сокращения тепловых потерь в различных устройствах. Поскольку большинство газов (особенно при низком давлении) обладают малой теплопроводностью, они могут использоваться для теплоизоляции… если только они не находятся в движении. Чаще всего именно газы выбирают в качестве изоляционного материала из-за их малой плотности. В любом случае важно ограничить теплопередачу посредством конвекции, уменьшая интенсивность свободной конвекции. Продуманное размещение перегородок и небольших полостей позволяет регулировать свободную конвекцию. Применение этих же принципов в микроскопических масштабах приводит к идее теплоизолирующей пены, в которой небольшие воздушные полости (пузырьки) заключены внутри пенистого материала (например, полиуретана), что обеспечивает прекрасные изоляционные характеристики материала и его малый вес.

Поперечное сечение окна (слева) и увеличенная область оконной рамы (справа).

Показатели температуры в оконной раме и поперечном сечении остекления согласно стандарту ISO 10077-2:2012 (тепловые характеристики окон).

Взаимодействие твердых тел и жидкостей

Граница жидкости и твердого тела

Поле температуры и тепловой поток на границе взаимодействия жидкости и твердого тела остаются непрерывными. Однако поле температуры может быстро изменяться в движущейся жидкости: у поверхности твердого тела температуры жидкости и твердого тела близки; чем дальше от границы, тем ближе температура жидкости к температуре на входе или к температуре окружающей среды. Расстояние, на котором температура жидкости изменяется от температуры твердого тела до температуры окружающей среды, называется тепловым пограничным слоем. Относительные размеры теплового и динамического пограничных слоев отражаются в величине числа Прандтля (Pr=C_p \mu/k): для того чтобы оно было равно единице, толщины теплового и динамического пограничных слоев должны совпадать. Более толстый динамический погранслой приводит к тому, что число Прандтля становится больше единицы. Верно и обратное: при числе Прандтля меньше единицы толщина теплового пограничного слоя превышает толщину динамического пограничного слоя. Число Прандтля для воздуха при атмосферном давлении и 20 °C равняется 0,7. Это объясняется тем, что для воздуха размеры динамического и теплового пограничного слоев схожи, при этом толщина динамического погранслоя чуть меньше толщины теплового. Для воды при температуре 20 °C число Прандтля составляет около 7, поэтому в воде изменение температуры рядом со стенкой происходит быстрее, чем изменение скорости.

Нормализованные профили температуры (красный) и скорости (синий) для свободной конвекции воздуха рядом с холодной твердой поверхностью.

Свободная конвекция

Свободная конвекция возникает тогда, когда жидкость приводится в движение силами плавучести. В зависимости от ожидаемых тепловых характеристик естественная конвекция может быть как полезной (например, в случае охлаждения), так и нежелательной (например, свободная конвекция в слое термоизоляции). 3

Число Рэлея может быть выражено через числа Прандтля и Грасгофа как Ra=Pr Gr.

Когда величина числа Рэлея невелика (обычно <10³), явлением свободной конвекции можно пренебречь, так как теплопередача происходит посредством теплопроводности жидкости. Для больших значений числа Рэлея необходимо учитывать теплопередачу посредством конвекции.

Когда силы плавучести значительно выше вязкостных сил, режим потока становится турбулентным, в противном случае поток остается ламинарным. На переход между двумя данными режимами указывает критическое значение числа Грасгофа, величина которого составляет 10⁹. Толщину теплового пограничного слоя можно вычислить приближенно при условии, что известно характерное расстояние перепада температуры между твердой стенкой и объемом жидкости: \delta_\mathrm{T} \approx \frac{L}{\sqrt[4\,]{Ra}}, когда Pr по порядку равно или больше единицы.

Профиль температуры при свободной конвекции в стакане холодной воды, контактирующем с горячей поверхностью .

Вынужденная конвекция

При вынужденной конвекции поток приводится в движение воздействием внешних сил (например, ветра) или устройств (например, вентиляторов или насосов), которые преобладают над силами плавучести.

В этом случае режим потока может быть охарактеризован, аналогично изотермическому потоку, числом Рейнольдса Re= \frac{\rho U L}{\mu}. Число Рейнольдса представляет отношение инерционных и вязкостных сил. При малых значениях числа Рейнольдса преобладают вязкостные силы, соответственно, поток ламинарный. При высоких значениях числа Рейнольдса силы внутреннего трения в системе невелики, благодаря чему наблюдаются незначительные возмущения. В случае если значение числа Рейнольдса будет достаточно высоким, поток перейдет в турбулентный режим.

Оценить толщину динамического пограничного слоя можно с помощью числа Рейнольдса \delta_\mathrm{M} \approx \frac{L}{\sqrt{Re}}.

Линии тока и профиль температуры вокруг радиатора, охлаждаемого вынужденной конвекцией. 4). Когда окружающие поверхности имеют различную температуру, теплообмен определяется угловыми коэффициентами.

Несмотря на это, как жидкости, так и твердые тела могут быть прозрачными или полупрозрачными. Таким образом, излучение может возникнуть и в жидкости, и в твердых телах. В активных (или недиатермических) средах излучение взаимодействует со средой (твердым телом или жидкостью), которая поглощает, испускает или рассеивает энергию.

Несмотря на то, что при небольшой разнице температур и малой излучательной способности можно пренебречь теплопередачей посредством излучения, она играет ключевую роль в прикладных задачах со значительными перепадами температур или сильно выраженной излучательной способностью.

Сравнение показателей температуры для радиатора с поверхностной излучательной способностью \varepsilon = 0 (слева) и \varepsilon = 0,9 (справа).

Заключение

В большей части практических задач процессы теплопередачи в твердых телах и жидкостях объединены. Причина этого в том, что, как правило, рассматриваемые жидкости обтекают твердые тела или текут между твердых стенок, а твердые тела, в свою очередь, обычно погружены в жидкость. Точное описание режимов теплопередачи, свойств материала, режимов течения и конфигураций геометрии позволяет выполнять анализ полей температуры и процессов теплопередачи. Подобное описание служит также отправной точкой для численного моделирования, которое может использоваться для расчета явлений теплопередачи или для проверки различных конфигураций конструкции для улучшения тепловых характеристик того или иного изделия.

Примечания

C_{p}: теплоемкость при постоянном давлении (единицы СИ: Дж/(кг⋅K))

g: ускорение свободного падения (единицы СИ: м/с²)

Gr: число Грасгофа (безразмерная величина)

k: теплопроводность (единицы СИ: Вт/(м⋅K))

L: характерный размер (единицы СИ: м)

n: показатель преломления (безразмерная величина)

p_\mathrm{A}: абсолютное давление (единицы СИ: Па)

Pr: число Прандтля (безразмерная величина)

q: плотность теплового потока (единицы СИ: Вт/м²)

Q: объемный источник теплоты (единицы СИ: Вт/м³)

Ra: число Рэлея (безразмерная величина)

S: тензор скоростей деформации (единицы СИ: 1/с)

T: поле температуры (единицы СИ: K)

T_\mathrm{amb}: температура окружающей среды (единицы СИ: K)

\bold{u}: поле скорости (единицы СИ: м/с)

U: характерная величина скорости (единицы СИ: м/с)

\alpha_{p}: коэффициент теплового расширения (единицы СИ: 1/K)

\delta_\mathrm{M}: толщина инерционного граничного слоя (единицы СИ: м)

\delta_\mathrm{T}: толщина теплового слоя (единицы СИ: м)

\Delta T: характерная разность температур (единицы СИ: K)

\varepsilon: излучательная способность поверхности (безразмерная величина)

\rho: плотность (единицы СИ: кг/м³)

\sigma: постоянная Стефана — Больцмана (единицы СИ: Вт/(м²⋅К⁴))

\tau: тензор вязких напряжений (единицы СИ: Н/м²)

Теплопередача: физика процесса и решение задачи методом конечных элементов

Я недавно осознал, что не написал ещё ни одной статьи о теплообмене и тепловых расчётах для своего блога. А ведь это такая увлекательная тема! Если вы ещё не занимались расчётами теплопередачи и даже не думали об этом, вы очень много потеряли!

Вот путь, по которому я предлагаю вам пройти в этой статье:

Сначала я расскажу, что такое температура, и откуда она берётся, затем я опишу три различных типа теплопередачи, которые существуют в природе, и, наконец, я расскажу, как выполняются тепловые расчёты с помощью метода конечных элементов (МКЭ).

Как вам такой план? 😉

Если он вас заинтересовал, то давайте приступим!

Что представляет собой температура?

Понятие температуры кажется настолько очевидным, что мы обычно даже не задумываемся об её происхождении. Ну что, заинтригованы? 😉

Так какова же природа этого явления?

Чтобы ответить на этот вопрос, нам придётся погрузиться в «Ангстремоскопический» мир (Что? Такого слова не существует? Да – я только что его выдумал).

Давайте внимательно рассмотрим структуру и агрегатные состояния воды.

Как (почти) всем известно, вода состоит из молекул h3O.

Если молекулы упорядочены в кристаллической решётке, они образуют твёрдое тело. В случае воды они образуют лёд.
В зависимости от агрегатного состояния эти молекулы могут приближаться или удаляться друг от друга… А ещё они могут колебаться. Температура как раз и описывает такие колебания. При очень слабых колебаниях молекулы становятся неподвижными, сохраняя малое расстояние между собой. Температура тогда очень низкая.

Вместе с увеличением колебаний появляется и возможность для перемещения молекул, и вода переходит в жидкое состояние.

Когда колебания увеличиваются ещё больше, молекулы начинают удаляться друг от друга, и вода переходит в газообразное состояние.

Температура – это просто название для интенсивности колебаний молекул.

На этом этапе мы уже достаточно близки к тому, чтобы покинуть мир классической ньютоновской механики, описывающей интуитивно понятные и осязаемые законы движения тел в пространстве, и перейти в «ангстремоскопический» мир, где заправляют совсем другие законы, которые с первого взгляда могут быть совершенно не очевидны. Да-да, речь идёт о квантовой механике 😉 , но давайте всё же попробуем обойтись простыми понятиями, не залезая в дебри.

Что же приводит к повышению температуры?

Конечно же, энергия! Когда молекулы получают энергию, они начинают колебаться сильнее, и температура повышается.

Тут можно провести такую аналогию: во время еды клетки вашего тела получают энергию, поэтому оно начинает вырабатывать тепло и нагревается. А когда вы голодны, температура вашего тела снижается.

Теперь вы понимаете, что такое температура!

Как распространяется тепло?

На концептуальном уровне теплопередача – это просто название для процесса передачи колебаний между молекулами.

Когда неподвижные «холодные» молекулы входят в контакт с колеблющимися «горячими» молекулами, между ними происходит передача энергии.

Проще говоря, неподвижная молекула начнёт испытывать небольшие колебания, а колеблющиеся молекулы начнут замедляться.

Но если любую теплопередачу можно описать таким образом, откуда берутся все эти разные способы передачи тепла? Хороший вопрос ;-).

Всё дело в том, что способ теплопередачи зависит от агрегатного состояния среды, которой принадлежат эти молекулы. Некоторые молекулы образуют жидкость, в то время как другие являются частью твёрдого тела или газа.

Учёные вывели определённые законы на основании наблюдений за процессом теплообмена между твёрдыми телами, жидкостями и газом.

Как выполнить количественную оценку теплопередачи?

Теперь, когда у нас есть определение температуры, мы знаем, как количественно определить колебания молекул в определённой точке.

Кстати, температура, при которой колебания молекул полностью отсутствуют, называется абсолютным нулём температуры по шкале Кельвина.

T = 0 K

Для преобразования температуры в Кельвинах в градусы Цельсия используется следующая формула: T(K) = T (°C) + 273,15K

Но для оценки теплопередачи важна не абсолютная величина температуры, а различие в температурах между телами или точками одного тела. Какая же величина позволяет нам количественно характеризовать это различие?

Что ж, для этого нам просто нужно рассмотреть две точки в пространстве (1 и 2) и найти в них температуру. Температурный градиент, как видно из названия, представляет собой разницу между значениями температуры в этих двух точках, делённую на расстояние между ними. Если это расстояние бесконечно мало, то мы имеем дело с производной.

Как же применить все эти знания в инженерных расчётах, чтобы предсказать скорость теплопередачи в различных материалах и средах?

Давайте теперь рассмотрим 3 основных способа теплопередачи.

Передача тепла в твёрдых телах – теплопроводность

Изучая тепловые потоки в различных материалах, французский учёный Ж.Б. Фурье заметил нечто странное… У разных типов металлов наблюдается похожий механизм передачи тепла. Разница заключается лишь в скорости теплопередачи, которая у одних металлов выше, чем у других.

Затем он открыл очень важный и фундаментальный закон теплопередачи, который получил название «закон Фурье» – как неожиданно! 😉

Этот закон гласит, что плотность теплового потока в твёрдых телах пропорциональна температурному градиенту. Коэффициент пропорциональности K называется коэффициентом теплопроводности, и чем он выше, тем быстрее распространяется тепло. Именно поэтому металлы с высоким коэффициентом теплопроводности очень быстро теряют тепло, в то время как изолирующие материалы с очень низким значением K не очень охотно пропускают его через себя.

Этот закон является фундаментальной основой первого способа теплопередачи, который называется «теплопроводность».

Таким образом, чтобы описать процесс теплопередачи внутри твёрдого тела, достаточно взять значение коэффициента K для рассматриваемого материала из справочных таблиц.

Теплообмен между твёрдым телом и жидкой или газообразной средой – конвекция

Чтобы понять, как выполнить расчёт такого процесса, рассмотрим следующую задачу.

Во-первых, предположим, что у нас есть стена с температурой Tw, которая контактирует с воздухом при температуре Ta. Очевидно, что если температура воздуха неравномерна, задача существенно усложняется. Поэтому для упрощения расчёта мы предполагаем, что температура воздуха равномерна и равна Ta. Эту температуру принято называть «температурой окружающей среды».

На этот раз выдающийся британский физик Ньютон – да-да, тот самый всем известный Исаак Ньютон 😉 – открыл закон, который получил название «закон охлаждения Ньютона» (он же – «закон Ньютона-Рихмана»):

Ньютон установил, что скорость охлаждения тела пропорциональна разнице температур между этим телом и окружающей средой.

Это, по сути, означает, что если стена более горячая, чем воздух, она будет охлаждаться до тех пор, пока не достигнет температуры окружающей среды. Тогда разница в температуре станет нулевой, и потери тепла больше не будет.

Ньютон установил также и коэффициент пропорциональности h, который зависит от характеристик окружающей среды.

Этот вид теплообмена называется «естественной конвекцией», а коэффициент h – коэффициентом теплоотдачи.

Как видите, скорость охлаждения тела зависит также от площади поверхности A стены. Поэтому при выполнении расчёта теплопередачи в МКЭ-программе необходимо задать площадь поверхности тела, через которую передаётся тепло.

В чём разница между естественной и вынужденной конвекцией?

В зависимости от порождающих причин, конвекция бывает естественной и вынужденной. Конвекция называется естественной, когда она возникает самопроизвольно без ускорения охлаждения при помощи специального устройства, такого как вентилятор. В противном случае конвекция является вынужденной.

Основное различие заключается в том, что коэффициент теплоотдачи h принимает значительно более высокие значения при вынужденной конвекции.

Теплопередача посредством электромагнитных волн – тепловое излучение

Ну что ж, давайте теперь рассмотрим третий вид теплопередачи – тепловое излучение.

Как вы знаете, для описания физических процессов и явлений в природе используется два понятия – «частицы» и «волны». Кстати, убеждение о принципиальном различии и полном разделении этих двух понятий вызвало немало дискуссий и споров в своё время. Ведь фотоны, например, могут проявлять как свойства волн, так и свойства частиц… Но это я что-то сильно отклоняюсь от основной темы 🙂 (однако и эта тема столь увлекательна, что надо бы как-то, пожалуй, взяться за отдельную книгу).

Итак, энергия, которая исходит от далёкого источника, такого как Солнце, и распространяется фотонами света, передаётся посредством электромагнитных волн.

Электромагнитные волны – это распространяющееся в пространстве возмущение электромагнитного поля, которое представляет собой совокупность электрического и магнитного полей. Связь между ними описывается элегантными уравнениями Максвелла (я большой поклонник этих уравнений, поэтому, думаю, я напишу как-нибудь статью и о них).

Для нас пока важен только тот факт, что электрическое и магнитное поля способны накапливать и передавать энергию.

Когда электромагнитная волна находится в вакууме, потери энергии не происходит. Когда же она попадает в такую среду, как воздух или вода, происходит потеря энергии и передача этой энергии в форме тепла.

Именно поэтому электромагнитные волны, которые преодолевают расстояние в 149 миллиардов 597 миллионов 870 тысяч 700 метров, всё ещё могут согревать нас на протяжении всего дня.

Такой способ теплопередачи называется «тепловым излучением».

Тут я не буду сильно углубляться в детали, поскольку этот процесс значительно более сложный, чем теплопроводность и конвекция.

Закон Стефана-Больцмана для теплового излучения

Следует отметить ещё один важный закон – закон Стефана-Больцмана, который определяет зависимость плотности мощности излучения абсолютно чёрного тела от его температуры.

Математически этот закон выражается в следующей форме:

где j* – общая энергия теплового излучения на единицу площади излучающей поверхности абсолютно чёрного тела за единицу времени. Больше информации на эту тему вы можете найти в статье Википедии.

Обратите внимание, что температура в этом уравнении возведена в четвёртую степень. Таким образом, МКЭ-задача теплопередачи, которая рассматривает тепловое излучение, является нелинейной.

Пример выполнения расчёта теплопередачи методом конечных элементов

Ну наконец-то мы перешли к практике. Я же обещал в начале статьи, что в этот раз приведу пример решения задачи. Пример этот будет очень простым. Я вычислю распространение температуры (теплопроводность) в простой пластине, представленной на рисунке ниже:

В данном случае мы рассмотрим стационарную теплопередачу, нестационарную мы пока изучать не будем. Если вы не знаете, в чём заключается разница между ними, прочтите мою старую статью (на английском языке).

Для выполнения этого простого расчёта я буду впервые в этом блоге использовать программное обспечение Ansys, поскольку только что обнаружил, что студенты могут бесплатно скачать его на соответствующей странице сайта Ansys: Ansys Free Student Software Downloads.

Процесс выполнения расчёта представлен на этом видео:

Ну что ж, на сегодня это всё.

//////////////////////////////////////////////////////////////////

Я очень хочу помочь инженерам (и студентам), которые только начинают решать задачи методом конечных элементов, лучше и быстрее разобраться в его основах.

Я не скрываю, что написание этих статей занимает немало времени и усилий, так что…

Если вам понравилась эта статья, вот как вы мне можете помочь:

1. Поделитесь этой статьёй на Linkedin, facebook, twitter или на своём форуме, чтобы ещё больше людей разобрались в основах процесса теплопередачи.
2. Напишите в комментариях к исходной статье, что вы узнали из неё, что ещё хотели бы узнать, и какие вопросы у вас остались. Это даст мне идеи для написания новых статей.
3. Подпишитесь на email рассылку, чтобы первыми получать мои новые статьи (и не только)!
   Благодарю за внимание!

Источник: feaforall. com
Автор: Cyprien Rusu

Компания Софт Инжиниринг Групп, официальный дистрибьютор Ansys Inc. в Украине, рекомендует активно поддерживать обратную связь – это поможет нам лучше подготавливать материалы в будущем. Оставляйте свои комментарии, вопросы и предложения под статьей посредством E-mail: [email protected], социальной сети Facebook https://www.facebook.com/softenukraine Регистрируйтесь на вебинары https://www.webinar.soften.com.ua, которые наша команда инженеров проводит на постоянной и бесплатной основе. Также информируем, что у вас есть возможность посмотреть ранее проводимые вебинары. Для этого необходимо зайти по ссылке на наш YouTube канал и выбрать плейлист (Ansys Вебинары/Обзоры).

Tags:
conduction, convection, heat transfer, radiation

Тест «Виды теплопередачи»

Виды теплопередачи

Вариант 1

1. Конвекцией называют вид теплопередачи, при котором энергия. ..

A. Передается от нагретого тела с помощью лучей.

Б. От нагретого конца тела передается к холодному, но само вещество при этом не перемещается.

В. Переносится самими частицами вещества.

2. Каков способ теплопередачи от костра?

А. Излучение.

Б. Теплопроводность.

В. Конвекция.

3. Ложка, опущенная в стакан с горячей водой, нагревается. Каким способом происходит теплопередача?

А. Излучение.

Б. Теплопроводность.

В. Конвекция.

4. Каким способом происходит теплопередача при нагревании шин автомобиля при торможении?

А. Конвекцией.

Б. Теплопроводностью.

В. Излучением.
Г. Работой.

5. Какое вещество обладает наибольшей теплопровод-ностью?

А. Шерсть.

Б. Железо.

В. Бумага.

Виды теплопередачи

Вариант 2

1. Вид теплопередачи, при котором энергия от нагретого тела передается холодному с помощью лучей, называется…

А. Излучением.

Б. Конвекцией.

В. Теплопроводностью.

2. Каков способ теплопередачи водяного отопления?

А. Излучение.

Б. Теплопроводность.

В. Конвекция.

3. Благодаря какому способу теплопередачи Солнце
нагревает Землю?

А. Теплопроводность.

Б. Конвекция.

В. Излучение.

4. Каков способ передачи энергии от горячего утюга ткани?

А. Работа.

Б. Теплопроводность.

В. Конвекции.
Г. Излучение.

5. Изменится ли температура тела, если оно поглощает энергии больше, чем испускает?

A. Тело нагреется.

Б. Температура тела не изменится.

B. Тело охладится.

Виды теплопередачи

Вариант 3

1. Теплопроводностью называют вид теплопередачи,
при котором энергия…

А. Переносится самими частицами вещества.

Б. Передается от нагретого конца тела холодному, но само вещество при этом не перемещается.

В. Передается с помощью лучей.

2. На чем основано нагревание нижних слоев атмосферы?

А. Конвекция.

Б. Излучение.

В. Теплопроводность.

3. Каков способ теплопередачи энергии стенкам стакана, в который налит горячий чай?

А. Излучение.

Б. Теплопроводность.

В. Конвекция.

4. Каким способом осуществляется передача энергии
бегущему человеку?

А. Теплопроводностью.

Б. Конвекцией.

В. Работой.
Г. Излучением.

5. Какое вещество обладает наименьшей теплопроводностью?

А. Серебро.

Б. Воздух.

В. Алюминий.

Виды теплопередачи

Вариант 4

1. Вид теплопередачи, при котором энергия переносится самими частицами вещества, называется…

А. Конвекцией.

Б. Излучением.

В. Теплопроводностью.

2. Какой способ теплопередачи используется при поджа-
ривании яичницы?

А. Излучение.

Б. Теплопроводность.

В. Конвекция.

3. Какой способ теплопередачи участвует в нагревании
воды солнечными лучами в открытых водоемах?

А. Теплопроводность.

Б. Конвекция.

В. Излучение.

4. Каким способом передается энергия воде при нагревании в чайнике?

А. Теплопередачей.

Б. Излучением.

В. Работой.
Г. Конвекцией.

5. Изменится ли температура тела, если оно испускает энергии больше, чем поглощает?

A. Тело нагреется.

Б. Температура тела не изменится.

B. Тело охладится.

Виды теплопередачи

Вариант 5

1. Излучением называют вид теплопередачи, при котором энергия…

А. Передается от нагретого конца тела холодному, но само вещество при этом не перемещается.

Б. Переносится самими частицами вещества.

В. Передается от нагретого тела с помощью лучей.

2. Какой способ теплопередачи осуществляется при
хранении продуктов в погребе?

А. Конвекция.

Б. Излучение.

В. Теплопроводность.

3. Благодаря какому способу теплопередачи можно
греться у камина?

А. Конвекция.

Б. Излучение.

В. Теплопроводность.

4. Каким способом передается энергия ладоням человека при быстром скольжении вниз по шесту?

А. Излучением.

Б. Теплопроводностью.

В. Работой.
Г. Конвекцией.

5. Какое вещество обладает наибольшей теплопроводностью?

А. Медь.

Б. Дерево.

В. Шелк.

Виды теплопередачи

Вариант 6

1. Вид теплопередачи, при котором энергия передается от нагретого конца тела холодному, но само вещество при этом не перемещается, называют…

А. Излучением.

Б. Теплопроводностью.

В. Конвекцией.

2. Благодаря какому способу теплопередачи нагревается термометр, вывешенный за окно?

А. Теплопроводность. Б. Конвекция. В. Излучение.

3. Какой способ теплопередачи помогает птицам с боль-
шими крыльями держаться на одной высоте, не взмахивая ими?

А. Конвекция.

Б. Излучение.

В. Теплопроводность.

4. Как осуществляется передача энергии глиняной посуде, находящейся в печи?

А. Излучением.

Б. Конвекцией.

В. Работой.

Г. Теплопроводностью.

5. Изменится ли температура тела, если оно испускает энергии столько же, сколько поглощает?

А. Тело охладится.

Б. Тело нагреется.

В. Температура тела не изменится.

23 Способы передачи тепла и виды теплообмена. Теплопередача через стенку и факторы, влияющие на ее интенсивность. Способы увеличения и уменьшения теплопередачи через стенку.

Передача тепла от
одного тела к другому осуществляется
различными способами. Передача тепла
конвекцией заключается в том, что перенос
тепла на границе стенка — газ осуществляется
за счет непрерывно подходящих к стенке
новых частичек газа, которые либо уносят
с собой тепло, либо отдают его стенке.
Обычно перенос тепла происходит
одновременно как теплопроводностью,
так и конвекцией. Во многих процессах
передача тепла осуществляется излучением.
Излучение возникает в результате
превращения части тепловой энергии в
лучистую. При обжиге известняка в печах
разных конструкций теплообмен происходит
разными способами. Виды теплообмена
Теплопроводность Конвекция Тепловое
излучение.Существуют также различные
виды сложного переноса тепла, которые
являются сочетанием элементарных видов.
Основные из них:

теплоотдача,
теплопередача; конвективно-лучистый
перенос тепла.

Теплопередачей
называется передача теплоты от горячего
теплоносителя к холодному теплоносителю
через стенку, разделяющую эти теплоносители.

Теплопередача
через плоскую стенку. Рассмотрим
однослойную плоскую стенку толщиной d
и теплопроводностью l

Температура
горячей жидкости (среды) t’ж, холодной
жидкости (среды) t»ж. Количество теплоты,
переданной от горячей жидкости (среды)
к стенке по закону Ньютона-Рихмана имеет
вид: Q = a1 · (t’ж – t1) · F, где a1 – коэффициент
теплоотдачи от горячей среды с температурой
t’ж к поверхности стенки• с температурой
t1; F – расчетная поверхность плоской
стенки. Тепловой поток, переданный через
стенку определяется по уравнению: Q =
l/d · (t1 – t2) · F. (12.2)

Пути интенсификации
теплопередачи. При неизменной разности
температур между горячим и холодным
теплоносителями передаваемый тепловой
поток зависит от коэффициента
теплопередачи. Так как теплопередача
представляет собой сложное явление,
рассмотрение путей ее интенсификации
связано с анализом частных составляющих
процесса. В случае плоской стенки
Увеличение k может быть достигнуто
за счет уменьшения толщины стенки и
выбора более теплопроводного материала.
Если термическое сопротивление
теплопроводности стенки мало, то при

Отсюда
видно, что коэффициент теплопередачи
всегда меньше самого малого из
коэффициентов теплоотдачи. Следовательно,
для увеличения коэффициента теплопередачи
нужно увеличивать наименьшее из значений
коэффициентов теплоотдачи a1 или a2. Если
a1»a2, то необходимо увеличивать и a1 и a2
одновременно. Если увеличить наименьший
коэффициент теплоотдачи не удается,
теплообмен можно интенсифицировать
путем оребрения стенки со стороны
меньшего коэффициента теплоотдачи.

24 Теплопроводность как способ теплообмена. Теплопроводность простейших тел (плоская стенка, цилиндр, шар).

Теплопроводность
— способность материала передавать
тепло от одной своей части к другой в
силу теплового движения молекул. Передача
тепла в материале осуществляется
кондукцией (путем контакта частиц
материала), конвекцией (движением воздуха
или другого газа в порах материала) и
лучеиспусканием.

Коэффициент
теплопроводности — λ, Вт/(м·К)Теплопроводность
вещества измеряют количеством теплоты,
проходящим в 1 с через 1 кв.м площади
толщиной 1 м при разности температур 1
К (1 ºС).Теплопроводность характеризует
процесс кондуктивного теплопереноса
вследствие движения частиц твердого
тела.Чем ниже теплопроводность, тем
лучше теплоизоляционный материал.
Уравнение, описывающее механизм
теплопроводности, выглядит следующим
образом: Q = A × ΔT/R,где
Q — количество передаваемой
тепловой энергии, А — площадь
сечения теплопроводящего тела, ΔT —
разность температур между двумя точками,
а R — тепловое сопротивление
материала, характеризующее, насколько
он тормозит теплопередачу. В вышеприведенном
примере с кочергой, одним концом опущенной
в камин, ΔT равняется разнице между
температурой пламени на одном конце и
комнатной температурой воздуха на
другом, А — площади сечения
железного прута, из которого сделана
кочерга, а R определяется свойствами
металла.

Однородная
цилиндрическая стенка.

Рассмотрим
однородный однослойный цилиндр длиной
l, внутренним диаметром d1и внешним
диаметром d2

Т
емпературы
поверхностей стенки –tст1 и tст2.Уравнение
теплопроводности по закону Фурье в
цилиндрических координатах: Q = — λ∙2∙π∙r
·l· ∂t / ∂r (9.24)илиQ = 2·π·λ·l·Δt/ln(d2/d1), где:
Δt = tст1 – tст2 – температурный напор;λ
– κоэффициент теплопроводности
стенки.Для цилиндрических поверхностей
вводят понятия тепловой поток единицы
длины цилиндрической поверхности
(линейная плотность теплового потока),
для которой расчетные формулы будут:ql
= Q/l =2·π·λ·Δt /ln(d2/d1), [Вт/м]. Температура
тела внутри стенки с координатойdх:tx =
tст1 – (tст1 – tст2) ·ln(dx/d1) / ln(d2/d1). Однородная
плоская стенка.

Температуры
поверхностей стенки –tст1 и tст2.

Плотность теплового
потока: q = λ/δ∙(tст1 – tст2) = λ/δ∙Δt,

Если R =δ/λ -термическое
сопротивление теплопроводности стенки
[(м2∙К)/Вт], то плотность теплового
потока:q = (tст1 – tст2)/R .

Общее количество
теплоты, которое передается через
поверхность F за время τ определяется:
Q = q∙F∙τ = (tст1 – tст2)/R·F∙τ .

Температура тела
в точке с координатой х находится по
формуле:tx = tст1 – (tст1 – tст2)∙x/ δ
.теплопроводность через шаровую стенку

Пусть имеется
полый шар– внутренний диаметр d1, внешний
диаметрd2, температура внутренней
поверхности стенки –tст1,
температуранаружнойповерхности стенки
–tст2, коэффициент теплопроводности
стенки -λ .Уравнение теплопроводности
по закону Фурье в сферических координатах:
Q = — λ·4·π·r2· ∂t / ∂r (9.35)илиQ =4·π·λ·Δt/(1/r2
— 1/r1) =2·π·λ·Δt/(1/d1 — 1/d2) = 2·π·λ·d1·d2·Δt /(d2 —
d1) = π·λ·d1·d2·Δt / δ (9. 36)где: Δt = tст1 – tст2
– температурный напор,δ –толщина
стенки.

Урок-интервью. Физика. 8 класс. Теплопередача в природе и технике

 Презентацию подготовил Александр Кавтрев.

Тема урока: «Виды теплопередачи. Теплопередача в природе и технике».

При проведении данного урока используется технология «Перевернутый урок». То есть учитель предлагает ученикам в качестве подготовки к данному уроку самостоятельно познакомиться с темой «способы теплопередачи». Для этого учитель предоставляет учащимся ссылки на соответствующие электронные ресурсы (видео уроки или видео лекции) и/или на соответствующие параграфы учебника. Учитель также может записать и предоставить учащимся свой видеоурок на данную тему.

Полезные ссылки:

• Виды теплопередачи (часть 1) – Урок физики (38 мин.) Павла Андреевича Виктора в Ришельевском лицее, Одесса.
• Виды теплопередачи (часть 2) – Урок физики (42 мин.) Павла Андреевича Виктора в Ришельевском лицее, Одесса.
• Виды теплопередачи — анимированный видеофрагмент (8 минут).
• Теплопередача. Виды теплопередачи — анимированный видеофрагмент (4,5 минуты). 
• Виды теплопередачи: теплопроводность, конвекция, излучение — текстовый материал и тесты (с ответами). 

В результате самостоятельной домашней работы дети должны узнать, что существуют три вида теплопередачи (теплопроводность, конвекция, излучение) и понимать, чем они отличаются друг от друга.

Вы можете скачать презентацию и скачать пояснения к уроку.

Слайд 1

1. Введение: открытая задача 

Цель данного этапа урока – заинтриговать учеников темой урока, настроить на активную, творческую деятельность. Для этого учитель предлагает учащимся решить открытую задачу. 

Слайд 2

Ответ к открытой задаче. Ни в коем случае нельзя отрывать примерзший язык, так как при этом с его поверхности оторвется участок кожи, что может привести к сильному кровотечению. При возможности нужно поливать место контакта языка с металлом жидкостью (желательно теплой). Можно также попытаться растопить лед дыханием и теплом рук.

Примечание. Важно обсудить с детьми следующий вопрос: «Почему на морозе язык к металлическим предметам прилипает, а к деревянным – нет?». 

Это объясняется тем, что у металлов теплопроводность значительно выше, чем у дерева. При объяснении можно показать учащимся видеофрагмент (слайд 3), который демонстрирует теплопроводность металлов: медь, латунь, железо.

 2. Самостоятельная работа учащихся: составление вопросов к тексту

Примечания:

• На данном этапе урока необходимо раздать детям в распечатанном виде текст про устройство термоса. Этот текст можно напечатать из отдельного файла Устройство термоса.

• Если распечатать текст нет возможности, то можно показать текст на большом экране (слайд 4). А на слайде 5 показано устройство термоса.

• Затем учитель предлагает учащимся составить вопросы к данному тексту. 

Текст для составления вопросов:

Слайд 4

Слайд 5

Задание ученикам (слайд 6):

• На работу по составлению вопросов можно отвести 5-7 минут.

После окончания данной работы учитель выписывает вопросы учащихся на доске или это делают специально назначенные ученики. 

Учащиеся каждой группы озвучивают сформулированные вопросы (по одному вопросу). При этом группы озвучивают вопросы последовательно (по кругу) пока не назовут все составленные вопросы. Если вопросы повторяются, то ни произносить их ни записывать не нужно. 

Некоторые формулировки вопросов, которые даны учащимися, могут быть не корректными. В этом случае учитель помогает детям дать более точные формулировки.

Слайд 6

Примеры возможных вопросов учащихся: уточняющие вопросы.

Слайд 7

Примеры возможных вопросов учащихся: открытые (исследовательские) вопросы.

Слайд 8

Примечания:

• При необходимости учитель может сам добавить в список ряд вопросов, которые ему необходимо обсудить с учащимися в соответствии с планом урока. 

• Среди предложенных учащимися вопросов могут быть вопросы, выходящие за рамки данного урока. В этом случае можно предложить учащимся самостоятельно поискать информацию для ответа на такие вопросы в качестве домашнего задания.

3. Объяснение материала урока и подведение итогов

Используя вопросы из списка учитель обсуждает с учащимися материал урока. При этом он отрабатывает с учащимися формулировки видов теплопередачи, при необходимости устраняет пробелы в их знаниях и вносит коррективы. 

При подведении итогов урока можно использовать слайд 9, на котором показаны все виды теплопередачи.

Слайд 9

4.

 Завершение урока: повторение пройденного материала.

Задание ученикам

Посмотрите на рисунки и назовите как осуществляются процессы теплопередачи в представленных на слайдах ситуациях:

• Чайник на плите (слайд 10),

• Мороженое в руке (слайд 11),

• Котелок на костре (слайд 12),

• Теплица (слайд 13),

• Сферическое зеркало в горах Непала (слайды 14 – 16).

Примечание. Если учащиеся не могут сказать для чего предназначено зеркало (слайд 14), то можно сыграть с ними в игру «Да-нетку» на эту тему. Слайд 15 содержит подсказку – на нем хорошо видно подставку в центре зеркала, на которую ставится кастрюля или чайник для нагрева солнечным светом. На слайде 16 видно, что на подставке стоит чайник – это фактически ответ на вопрос о назначении зеркала.  

Слайд 10

Слайд 11 

Слайд 12 

Слайд 13 

Слайд 14 

Слайд 15

Слайд 16

5. Д/З. На выбор учеников

1. Многие люди считают, что шуба греет. А как думаете вы?
   Предложите варианты опытов, которые нужно поставить, чтобы доказать или опровергнуть эту точку зрения (слайд 17). 
2. Объясните, почему аксакалы в яркие солнечные дни в жару носят теплые ватные халаты (слайд 18).
3. Проведите исследование: сколько времени содержимое термоса остается горячим? 

Примечание. Предварительно обсудите с учащимися методику эксперимента. Например, можно залить в термос кипяток и через определенные интервалы времени (каждые 30 минут) измерять его температуру.

Данное исследование можно поручить 3-5 ученикам и на следующем уроке сравнить их результаты. Желательно, чтобы они принесли на урок термоса, с которыми проводили эксперименты.

4. Если термос устроен так умно, то почему через какое-то время его содержимое все-таки остывает? Постарайтесь объяснить почему это происходит (слайд 19).

Ответ (для учителя):

• Немного теплоты выходит через пробку и крышку термоса. Если вы потрогаете крышку, то скорее всего почувствуете, что она слегка нагрета.
• Также потери теплоты, пусть и менее ощутимые, происходят через стенки термоса. 
  • Прежде всего это связано с качеством откачки воздуха. Абсолютный вакуум создать невозможно. Поэтому между стенками колбы всегда остается немного воздуха. Чем его больше, тем больше потери теплоты.
  • Происходят также потери теплоты из-за не идеальности отражающей поверхности колбы. Невозможно сделать зеркальную поверхность с коэффициентом отражения 100%. Обычно этот параметр у внутренней поверхности колбы около 90%. Значит термос обязательно излучает теплоту.

Слайд 17

Слайд 18

Слайд 19

 6.

 Дополнительный материал: ураганный ветер «Бора»

Советский писатель Константин Паустовский в рассказе «Небесная азбука морзе» описывает ураганный ветер «Бора» и шторм, который произошел в конце 19 века в Черном море вблизи г. Новороссийска. Учитель может обсудить с учащимися это природное явление и процессы теплопередачи, которые происходили.

«Море клокочет, как бы пытаясь взорваться. Ветер швыряет увесистые камни, сбрасывает под откосы товарные поезда, свертывает в тонкие трубки железные крыши, качает стены домов.

Двое суток мы находились на авральной работе. Мы сбивали лёд ломами, раскалённым железом и обливали его кипятком. Тонкие снасти превращались в ледяные бревна. Когда ураган достиг наивысшего напряжения, мы обрубили реи, утлегарь и весь такелаж на мачтах, но это нисколько не помогло. Хотели выбросить за борт пушки, но они вместе со станками приросли к палубе, составляя сплошные глыбы льда. Волны свободно ходили через корабль.

Эскадра Юрьева погибла от того, что лопнули все железные якорные цепи. Корабли были разбиты о подводные камни. С тех пор некоторые капитаны, застигнутые борой, начали отдавать якоря не на цепях, а на пеньковых веревках. Железные цепи делались слишком хрупкими от жестокого мороза – неизменного спутника Боры – и легко ломались на перегибах около клюзов. Эскадра погибла, разбившись о берега. Только один корабль «Струя» потонул среди залива, не выдержав тяжести наросшего льда. Он стоял закрепив якорную цепь за бочку, и не успел вовремя расклепать цепь, чтобы его выбросило на берег. Тогда часть людей могла бы спастись». 

К. Г. Паустовский. «Родные просторы» Гос. Издательство географической литературы, Москва, 1954 г., с. 310.

Справка: Бора

Бора — сильный холодный порывистый северный ветер. Бора возникает, когда поток холодного воздуха встречает на своём пути возвышенность, например, невысокие горы на морском берегу. Преодолев препятствие, холодный воздух под воздействием силы тяжести сваливается вниз по склону гор. При этом воздушный поток приобретает большую скорость (слайды 20 и 21).  

Слайд 20

Слайд 21

Фотографии последствий Боры в г. Новороссийске приведены на слайдах 22 – 25.

Слайд 22 

Слайд 23

Слайд 24 

Слайд 25. Сковало льдом прибрежный южный город… 

Вы можете скачать презентацию и скачать пояснения к уроку.

2.2.3 Теплопередача как способ изменения внутренней энергии без совершения работы. Конвекция, теплопроводность, излучение

Видеоурок: Изменение внутренней энергии в процессе теплопередачи. Решение задач

Лекция: Теплопередача как способ изменения внутренней энергии без совершения работы. Конвекция, теплопроводность, излучение

Теплопередача и виды теплообмена

Существует несколько способов, позволяющих изменить внутреннюю энергию тела, одним из которых является теплопередача.

Теплопередача — это процесс, сопровождающийся переходом внутренней энергии от более нагретого тела к менее нагретому. 

Стоит отметить, что в момент совершения теплопередачи работа над рассматриваемой системой не производится.

Теплопередача происходит в то время, когда между телами, что её совершают, имеется среда (жидкая, газообразная, вакуум). Данное физическое явление также называется теплообменом.

Существует три основных вида теплообмена:

• теплопроводность;

• конвекция;

• излучение.

Теплопроводность

Если взять длинный железный стержень и держать один его конец над огнем, то со временем он нагреется полностью и держать его в руках будет невыносимо. Что же происходит с рассматриваемым телом с точки зрения физики?

Те атомы стержня, что находятся над огнем, начинают двигаться под действием температуры, то есть начинает увеличиваться их кинетическая энергия. Данное движение начинает переходить на соседние атомы и так по всей длине. Это объясняется с точки зрения механики — одна структурная единица начинает передавать импульс другой, тем самым передавая кинетическую энергию.

Теплопроводность — это процесс передачи внутренней энергии от более нагретой части тела к менее нагретой за счет взаимодействия структурных единиц.

Процесс теплопроводности в различных веществах отличается. Таким образом, лучшими проводниками тепла являются металлы, самыми лучшими проводниками можно назвать золото и медь. Чуть хуже тепло проводит жидкость. Самыми плохими проводниками являются газы, их порой даже называют изоляторами. Именно поэтому окна делаются из нескольких стеклопакетов, между которыми находится воздух.

Для улучшения теплоизоляционных свойств домов используют пенопласт, кирпич, вата — они имеют пористую структуру, в порах которых содержится воздух. По такому же принципу в зимний период температуру нашего тела поддерживают с помощью меха, хлопка и других материалов, которые позволяют удерживать тепло на поверхности тела и предотвращают проникновение холода.

Конвекция

Несмотря на то, что воздух плохо проводит тепло, в наших домах благодаря батареям, наперекор погодным условиям, тепло. Это объясняет конвекция. 

Конвекция — это процесс передачи внутренней энергии газов и жидкостей в результате циркуляционных потоков и смешиванию теплых и холодных слоев.

Возле батареи воздух начинает нагреваться, благодаря чему расширяется и становится легче. С помощью выталкивающей силы он перемещается в верхние части комнаты. При этом холодный воздух снова поступает к батареям и с ним происходят те же процессы. Таким образом холодные и теплые слои начинают перемещаться по комнате потоками.

Этот процесс свойственный не только газам, но и жидкостям. По тому же принципу происходит нагревание жидкости в чайнике. Нижние слои воды нагреваются и перемещаются благодаря выталкивающей силе на поверхность, на их место перемещаются холодные слои.

Из-за большой силы взаимодействия между частицами твердого тела, в них конвекция не происходит.

Стоит обратить внимание на местоположение батарей — они обязательно должны находиться в нижней части комнат, иначе конвекция происходить не будет, и теплый воздух так и останется под потолком.

Что касается летнего кондиционирования воздуха, кондиционер следует располагать в верхней части комнаты — он выпускает холодный воздух, который опускается вниз комнаты.

Излучение

По какой причине на нашей Земле тепло? На этот вопрос достаточно просто ответить — благодаря Солнцу. Однако, как этот процесс объясняется с точки зрения физики? Вокруг нас существует постоянное магнитное поле, которое вызвано изменением электрического. В результате этого Землю окутывают электромагнитные волны.

Любая электромагнитная волна, вне зависимости от своей частоты, имеет энергию. Однако некоторые определенные частоты имеют наибольшую энергию, вызывающую излучение, способное нагреть тела вокруг себя.

По такому принципу происходит нагревание пищи в микроволновках.

• Вконтакте
• Сайт

Учебное пособие по физике

Если вы следили за этим уроком с самого начала, значит, вы все лучше и лучше понимаете температуру и тепло. Вы должны разработать модель материи, состоящей из частиц, которые вибрируют (качаются вокруг фиксированного положения), перемещаются (перемещаются из одного места в другое) и даже вращаются (вращаются вокруг воображаемой оси). Эти движения сообщают частицам кинетическую энергию. Температура является мерой среднего количества кинетической энергии, которой обладают частицы в образце вещества. Чем больше частицы вибрируют, перемещаются и вращаются, тем выше температура объекта. Надеюсь, вы усвоили понимание тепла как потока энергии от объекта с более высокой температурой к объекту с более низкой температурой. Именно разница температур между двумя соседними объектами вызывает этот теплообмен. Теплопередача продолжается до тех пор, пока два объекта не достигнут теплового равновесия и не будут иметь одинаковую температуру. Обсуждение теплопередачи было построено вокруг некоторых повседневных примеров, таких как охлаждение кружки горячего кофе и нагревание банки холодной газировки. Наконец, мы провели мысленный эксперимент, в котором металлическая банка с горячей водой помещается в пенопластовый стакан с холодной водой. Тепло передается от горячей воды к холодной воде до тех пор, пока оба образца не будут иметь одинаковую температуру.

Теперь мы должны исследовать некоторые из следующих вопросов:

• Что происходит на уровне частиц, когда энергия передается между двумя объектами?
• Почему тепловое равновесие всегда устанавливается, когда два тела передают тепло?
• Как работает теплопередача в объеме объекта?
• Существует ли более одного метода теплопередачи? Если да, то чем они похожи и чем отличаются друг от друга?

Проводимость — вид частиц

Давайте начнем обсуждение с возвращения к нашему мысленному эксперименту, в котором металлическая банка с горячей водой была помещена в пенопластовый стакан с холодной водой. Тепло передается от горячей воды к холодной воде до тех пор, пока оба образца не будут иметь одинаковую температуру. В этом случае передачу тепла от горячей воды через металлическую банку к холодной воде иногда называют теплопроводностью. Кондуктивный тепловой поток включает передачу тепла из одного места в другое в отсутствие какого-либо потока материала. Нет ничего физического или материального, перемещающегося из горячей воды в холодную. Только энергия передается от горячей воды к холодной воде. Кроме потери энергии, от горячей воды не остается ничего другого. И кроме прироста энергии в холодную воду больше ничего не входит. Как это произошло? Какой механизм делает возможным кондуктивный поток тепла?

Такой вопрос относится к уровню частиц. Чтобы понять ответ, мы должны думать о материи как о состоящей из мельчайших частиц атомов, молекул и ионов. Эти частицы находятся в постоянном движении; это дает им кинетическую энергию. Как упоминалось ранее в этом уроке, эти частицы перемещаются по пространству контейнера, сталкиваясь друг с другом и со стенками своего контейнера. Это известно как поступательная кинетическая энергия и является основной формой кинетической энергии для газов и жидкостей. Но эти частицы также могут колебаться вокруг фиксированного положения. Это дает частицам колебательную кинетическую энергию и является основной формой кинетической энергии для твердых тел. Проще говоря, материя состоит из маленьких шевелений и маленьких хлопушек. Вигглеры — это те частицы, которые колеблются вокруг фиксированного положения. Они обладают колебательной кинетической энергией. Бэнгеры — это те частицы, которые движутся через контейнер с поступательной кинетической энергией и сталкиваются со стенками контейнера.

Стенки контейнера представляют собой периметр образца материи. Подобно тому, как периметр вашей собственности (как в случае недвижимости) является самым дальним расширением собственности, так и периметр объекта является самым дальним расширением частиц в образце материи. По периметру маленьких хлопушек сталкиваются с частицами другого вещества — частицами контейнера или даже окружающего воздуха. Даже закрепленные по периметру вигглеры немного стучат. Находясь по периметру, их покачивание приводит к столкновениям с частицами, находящимися рядом с ними; это частицы контейнера или окружающего воздуха.

На этом периметре или границе столкновения маленьких сопел и вигглеров являются упругими столкновениями, при которых общая кинетическая энергия всех сталкивающихся частиц сохраняется. Чистый эффект этих упругих столкновений заключается в передаче кинетической энергии через границу частицам на противоположной стороне. Более энергичные частицы теряют немного кинетической энергии, а менее энергичные частицы приобретают немного кинетической энергии. Температура является мерой среднего количества кинетической энергии, которой обладают частицы в образце вещества. Таким образом, в среднем в объекте с более высокой температурой с большей кинетической энергией больше частиц, чем в объекте с более низкой температурой. Поэтому, когда мы усредняем все столкновения вместе и применяем принципы, связанные с упругими столкновениями, к частицам в образце вещества, логично заключить, что объект с более высокой температурой потеряет часть кинетической энергии, а объект с более низкой температурой приобретет некоторую кинетическую энергию. . Столкновения наших маленьких сопел и вигглеров будут продолжать передавать энергию до тех пор, пока температуры двух объектов не станут одинаковыми. Когда это состояние теплового равновесия достигнуто, средняя кинетическая энергия частиц обоих объектов равна. При тепловом равновесии количество столкновений, приводящих к выигрышу энергии, равно количеству столкновений, приводящих к потере энергии. В среднем нет чистой передачи энергии в результате столкновений частиц на периметре.

На макроскопическом уровне тепло — это передача энергии от объекта с высокой температурой к объекту с низкой температурой. На уровне частиц тепловой поток можно объяснить с точки зрения чистого эффекта от столкновений целой группы маленьких сопел . Нагрев и охлаждение являются макроскопическим результатом этого явления на уровне частиц. Теперь давайте применим этот вид частиц к сценарию с металлической банкой с горячей водой, расположенной внутри пенопластового стакана с холодной водой. В среднем частицы с наибольшей кинетической энергией имеют частицы горячей воды. Будучи жидкостью, эти частицы движутся с поступательной кинетической энергией и ударяются о частицы металлической банки. Когда частицы горячей воды ударяются о частицы металлической банки, они передают энергию металлической банке. Это нагревает металлическую банку. Большинство металлов являются хорошими теплопроводниками, поэтому они довольно быстро нагреваются по всему объему банки. Банка принимает почти ту же температуру, что и горячая вода. Будучи твердым телом, металлическая банка состоит из маленьких шевелек . Вигглеры по внешнему периметру металла могут удариться о частиц в холодной воде. Столкновения между частицами металла и частицами холодной воды приводят к передаче энергии холодной воде. Это медленно нагревает холодную воду. Взаимодействие между частицами горячей воды, металлической банки и холодной воды приводит к передаче энергии наружу от горячей воды к холодной воде. Средняя кинетическая энергия частиц горячей воды постепенно уменьшается; средняя кинетическая энергия частиц холодной воды постепенно увеличивается; и, в конце концов, тепловое равновесие будет достигнуто в точке, когда частицы горячей и холодной воды будут иметь одинаковую среднюю кинетическую энергию. На макроскопическом уровне можно было бы наблюдать снижение температуры горячей воды и повышение температуры холодной воды.

Механизм, в котором тепло передается от одного объекта к другому через столкновения частиц, известен как теплопроводность. При проведении нет чистой передачи физического материала между объектами. Ничто материальное не перемещается через границу. Изменения температуры полностью объясняются как результат выигрыша и потери кинетической энергии при столкновениях.

Проведение через объем объекта

Мы обсудили, как тепло передается от одного объекта к другому посредством теплопроводности. Но как он проходит через объем объекта? Например, предположим, что мы достаем из шкафа керамическую кофейную кружку и ставим ее на столешницу. Кружка находится при комнатной температуре — может быть, при 26°C. Затем предположим, что мы наполняем керамическую кофейную кружку горячим кофе с температурой 80°C. Кружка быстро нагревается. Энергия сначала поступает в частицы на границе между горячим кофе и керамической кружкой. Но затем она течет через объем керамики ко всем частям керамической кружки. Как происходит теплопроводность в самой керамике?

Механизм передачи тепла через объем керамической кружки описан аналогично предыдущему. Керамическая кружка состоит из набора упорядоченно расположенных шевелек. Это частицы, которые колеблются вокруг фиксированного положения. Когда керамические частицы на границе между горячим кофе и кружкой нагреваются, они приобретают кинетическую энергию, которая намного выше, чем у их соседей. Когда они извиваются более энергично, они врезаются в своих соседей и увеличивают свою кинетическую энергию колебаний. Эти частицы, в свою очередь, начинают более энергично раскачиваться, а их столкновения с соседями увеличивают их кинетическую энергию колебаний. Процесс передачи энергии с помощью маленькой сосиски продолжается от частиц внутри кружки (в контакте с частицами кофе) к внешней части кружки (в контакте с окружающим воздухом). Вскоре вся кофейная кружка станет теплой, и ваша рука это почувствует.

Этот механизм проводимости за счет взаимодействия между частицами очень распространен в керамических материалах, таких как кофейная кружка. Работает ли это так же в металлических предметах? Например, вы, вероятно, замечали высокие температуры, достигаемые металлической ручкой сковороды, поставленной на плиту. Горелки на плите передают тепло металлической сковороде. Если ручка сковороды металлическая, она тоже нагревается до высокой температуры, достаточно высокой, чтобы вызвать сильный ожог. Передача тепла от сковороды к ручке сковороды происходит за счет теплопроводности. Но в металлах механизм проводимости несколько сложнее. Подобно электропроводности, теплопроводность в металлах возникает за счет движения свободных электронов . Электроны внешней оболочки атомов металла распределены между атомами и могут свободно перемещаться по объему металла. Эти электроны переносят энергию от сковороды к ручке сковороды. Детали этого механизма теплопроводности в металлах значительно сложнее, чем приведенное здесь обсуждение. Главное, что нужно понять, это то, что передача тепла через металлы происходит без какого-либо движения атомов от сковороды к ручке сковороды. Это квалифицирует передачу тепла как класс теплопроводности.

Теплопередача конвекцией

Является ли теплопроводность единственным средством теплопередачи? Может ли тепло передаваться через объем тела другими способами, кроме теплопроводности? Ответ положительный. Модель передачи тепла через керамическую кофейную кружку и металлическую сковороду включала теплопроводность. Керамика кофейной кружки и металл сковороды — твердые тела. Передача тепла через твердые тела происходит путем теплопроводности. Это в первую очередь связано с тем, что твердые тела имеют упорядоченное расположение частиц, которые зафиксированы на месте. Жидкости и газы не очень хорошие проводники тепла. На самом деле они считаются хорошими теплоизоляторами. Тепло обычно не проходит через жидкости и газы посредством теплопроводности. Жидкости и газы — это жидкости; их частицы не закреплены на месте; они перемещаются по большей части образца материи. Модель, используемая для объяснения переноса тепла через объем жидкостей и газов, включает конвекцию. Конвекция — это процесс переноса тепла из одного места в другое за счет движения жидкостей. Движущаяся жидкость несет с собой энергию. Жидкость течет из места с высокой температурой в место с низкой температурой.

Чтобы понять конвекцию в жидкостях, давайте рассмотрим передачу тепла через воду, которая нагревается в кастрюле на плите. Конечно, источником тепла является горелка печки. Металлический горшок, в котором находится вода, нагревается горелкой печи. Когда металл нагревается, он начинает отдавать тепло воде. Вода на границе с металлическим поддоном становится горячей. Жидкости расширяются при нагревании и становятся менее плотными. Так как вода на дне горшка становится горячей, ее плотность уменьшается. Разница в плотности воды между дном и верхом горшка приводит к постепенному образованию циркуляционные токи . Горячая вода начинает подниматься наверх кастрюли, вытесняя более холодную воду, которая была там изначально. А более холодная вода, которая была наверху горшка, движется ко дну горшка, где она нагревается и начинает подниматься. Эти циркуляционные потоки медленно развиваются с течением времени, обеспечивая путь для передачи энергии нагретой воде со дна горшка на поверхность.

Конвекция также объясняет, как электрический обогреватель, размещенный на полу холодильной камеры, нагревает воздух в комнате. Воздух, находящийся возле змеевиков нагревателя, нагревается. По мере нагревания воздух расширяется, становится менее плотным и начинает подниматься вверх. Когда горячий воздух поднимается вверх, он отталкивает часть холодного воздуха в верхней части комнаты в сторону. Холодный воздух перемещается в нижнюю часть помещения, заменяя поднявшийся горячий воздух. Когда более холодный воздух приближается к обогревателю в нижней части комнаты, он нагревается от обогревателя и начинает подниматься вверх. И снова медленно формируются конвекционные потоки. По этим путям проходит воздух, разнося с собой энергию от обогревателя по всему помещению.

Конвекция является основным методом передачи тепла в таких жидкостях, как вода и воздух. Часто говорят, что в таких ситуациях тепла поднимаются на . Более подходящим объяснением будет сказать, что нагретая жидкость поднимается . Например, когда нагретый воздух поднимается от обогревателя на пол, он уносит с собой более энергичные частицы. Поскольку более энергичные частицы нагретого воздуха смешиваются с более холодным воздухом у потолка, средняя кинетическая энергия воздуха у потолка помещения увеличивается. Это увеличение средней кинетической энергии соответствует повышению температуры. Конечным результатом подъема горячей жидкости является передача тепла из одного места в другое. Конвекционный способ теплопередачи всегда предполагает перенос тепла движением вещества. Это не следует путать с теорией калорий, обсуждавшейся ранее в этом уроке. В теории калорий теплота была жидкостью, а движущаяся жидкость была теплотой. Наша модель конвекции рассматривает тепло как передачу энергии, которая является просто результатом движения более энергичных частиц.

Два рассмотренных здесь примера конвекции — нагрев воды в кастрюле и нагрев воздуха в комнате — являются примерами естественной конвекции. Движущая сила циркуляции жидкости естественна — разница в плотности между двумя точками в результате нагрева жидкости в каком-то источнике. (Некоторые источники вводят понятие выталкивающей силы, чтобы объяснить, почему нагретые жидкости поднимаются вверх. Мы не будем здесь останавливаться на таких объяснениях.) Естественная конвекция распространена в природе. Земные океаны и атмосфера нагреваются за счет естественной конвекции. В отличие от естественной конвекции, принудительная конвекция предполагает перемещение жидкости из одного места в другое с помощью вентиляторов, насосов и других устройств. Многие системы домашнего отопления предполагают принудительное воздушное отопление. Воздух нагревается в печи и продувается вентиляторами через воздуховоды и выбрасывается в помещения через вентиляционные отверстия. Это пример принудительной конвекции. Движение жидкости из горячего места (рядом с печью) в прохладное место (комнаты по всему дому) осуществляется вентилятором. Некоторые печи являются печами с принудительной конвекцией; у них есть вентиляторы, которые подают нагретый воздух от источника тепла в духовку. Некоторые камины усиливают согревающую способность огня, выдувая нагретый воздух из камина в соседнее помещение. Это еще один пример принудительной конвекции.

Теплопередача излучением

Последний метод теплопередачи включает излучение. Излучение – это передача тепла посредством электромагнитных волн. излучать означает посылать или распространять из центрального места. Будь то свет, звук, волны, лучи, лепестки цветка, спицы колеса или боль, если что-то излучает , то оно выступает или распространяется наружу из источника. Передача тепла излучением предполагает перенос энергии от источника в окружающее его пространство. Энергия переносится электромагнитными волнами и не связана с движением или взаимодействием материи. Тепловое излучение может происходить через материю или через область пространства, свободную от материи (т. е. вакуум). На самом деле тепло, получаемое на Земле от Солнца, является результатом прохождения электромагнитных волн через пустота космоса между Землей и Солнцем.

Все объекты излучают энергию в виде электромагнитных волн. Скорость, с которой высвобождается эта энергия, пропорциональна температуре Кельвина (T), возведенной в четвертую степень.

Мощность излучения = k•T ⁴

Чем горячее объект, тем сильнее он излучает. Солнце явно излучает больше энергии, чем горячая кружка кофе. Температура также влияет на длину волны и частоту излучаемых волн. Объекты при обычных комнатных температурах излучают энергию в виде инфракрасных волн. Будучи невидимыми для человеческого глаза, мы не видим эту форму излучения. Инфракрасная камера способна обнаруживать такое излучение. Возможно, вы видели тепловые фотографии или видео излучения, окружающего человека или животное, или горячую кружку кофе, или Землю. Энергия, излучаемая объектом, обычно представляет собой совокупность или диапазон длин волн. Обычно это называют спектр излучения . При повышении температуры объекта длины волн в спектрах испускаемого излучения также уменьшаются. Более горячие объекты, как правило, излучают более коротковолновое и более высокочастотное излучение. Катушки электрического тостера значительно горячее комнатной температуры и излучают электромагнитное излучение в видимом спектре. К счастью, это удобно предупреждает пользователей о том, что катушки горячие. Вольфрамовая нить лампы накаливания излучает электромагнитное излучение в видимом (и за его пределами) диапазоне. Это излучение не только позволяет нам видеть, но и нагревает стеклянную колбу, содержащую нить накала. Поднесите руку к лампочке (не касаясь ее), и вы также почувствуете излучение лампочки.

Тепловое излучение является формой передачи тепла, поскольку электромагнитное излучение, испускаемое источником, переносит энергию от источника к окружающим (или удаленным) объектам. Эта энергия поглощается этими объектами, что приводит к увеличению средней кинетической энергии их частиц и повышению температуры. В этом смысле энергия передается из одного места в другое с помощью электромагнитного излучения. Изображение справа было сделано тепловизионной камерой. Камера улавливает излучение, испускаемое объектами, и представляет его с помощью цветной фотографии. горячее цветов представляют области объектов, которые излучают тепловое излучение с большей интенсивностью. (Изображения предоставлены Питером Льюисом и Крисом Уэстом из SLAC Стэндфорда.)

Наше обсуждение на этой странице касалось различных методов теплопередачи. Проводимость, конвекция и излучение были описаны и проиллюстрированы. Макроскопическое было объяснено с точки зрения частиц — постоянная цель этой главы Учебного пособия по физике. Последняя тема, которая будет обсуждаться в Уроке 1, носит более количественный характер. На следующей странице мы исследуем математику, связанную со скоростью теплопередачи.

Проверьте свое понимание

1. Рассмотрим объект A, температура которого составляет 65°C, и объект B, температура которого составляет 15°C. Два объекта помещаются рядом друг с другом, и маленьких сосисков начинают сталкиваться. Приведет ли любое из столкновений к передаче энергии от объекта B к объекту A? Объяснять.

2. Предположим, что Объект А и Объект Б (из предыдущей задачи) достигли теплового равновесия. Частицы двух объектов все еще сталкиваются друг с другом? Если да, то приводят ли какие-либо столкновения к передаче энергии между двумя объектами? Объяснять.

Следующий раздел:

Перейти к следующему уроку:

14.

4: Методы теплопередачи — Физика LibreTexts

1. Последнее обновление

2. Сохранить как PDF

• OpenStax
• OpenStax

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

• Обсуждать различные методы теплопередачи.

Не менее интересными, чем влияние теплопередачи на систему, являются методы, с помощью которых это происходит. Всякий раз, когда есть разница температур, происходит теплообмен. Теплопередача может происходить быстро, например, через кастрюлю для приготовления пищи, или медленно, например, через стенки ящика со льдом для пикника. Мы можем контролировать скорость теплопередачи, выбирая материалы (например, толстую шерстяную одежду для зимы), контролируя движение воздуха (например, используя уплотнитель вокруг дверей) или выбирая цвет (например, белая крыша, чтобы отражать лето). Солнечный лучик). С передачей тепла связано так много процессов, что трудно представить себе ситуацию, при которой передача тепла не происходит. Однако каждый процесс, связанный с передачей тепла, происходит только тремя способами:

1. Теплопроводность — передача тепла через неподвижное вещество при физическом контакте. (Материя неподвижна в макроскопическом масштабе — мы знаем, что существует тепловое движение атомов и молекул при любой температуре выше абсолютного нуля.) Тепло, передаваемое между электрической горелкой плиты и дном кастрюли, передается теплопроводностью.
2. Конвекция — это передача тепла макроскопическим движением жидкости. Этот тип переноса имеет место, например, в печи с принудительной подачей воздуха и в климатических системах.
3. Теплопередача посредством излучения происходит при испускании или поглощении микроволн, инфракрасного излучения, видимого света или другой формы электромагнитного излучения. Очевидным примером является нагревание Земли Солнцем. Менее очевидный пример — тепловое излучение человеческого тела.

Рисунок \(\PageIndex{1}\): В камине передача тепла происходит всеми тремя способами: теплопроводностью, конвекцией и излучением. Излучение отвечает за большую часть тепла, передаваемого в помещение. Теплопередача также происходит за счет теплопроводности в помещение, но гораздо медленнее. Теплопередача конвекцией также происходит через холодный воздух, поступающий в помещение через окна, и горячий воздух, выходящий из помещения, поднимаясь вверх по дымоходу.

Мы подробно рассмотрим эти методы в трех следующих модулях. Каждый метод имеет уникальные и интересные характеристики, но у всех трех есть одна общая черта: они передают тепло исключительно за счет разницы температур. Рисунок \(\PageIndex{1}\).

Упражнение \(\PageIndex{1}\)

Назовите пример из повседневной жизни (отличный от текста) для каждого механизма теплопередачи.

Ответить

• Проводимость: тепло передается вашим рукам, когда вы держите чашку горячего кофе.
• Конвекция: теплопередача, когда бариста «выпаривает» холодное молоко для приготовления горячего какао.
• Радиация: подогрев холодной чашки кофе в микроволновой печи.

Резюме

• Тепло передается тремя различными способами: теплопроводностью, конвекцией и излучением.

Глоссарий

проводимость

передача тепла через неподвижное вещество при физическом контакте

конвекция

перенос тепла макроскопическим движением жидкости

излучение

теплопередача, возникающая при испускании или поглощении микроволн, инфракрасного излучения, видимого света или другого электромагнитного излучения

Эта страница под названием 14.4: Методы теплопередачи распространяется под лицензией CC BY 4.0 и была создана, изменена и/или курирована OpenStax.

1. Наверх

• Была ли эта статья полезной?

1. Тип изделия

   Раздел или страница

   Автор

   ОпенСтакс

   Лицензия

   СС BY

   Версия лицензии

   4,0

   Программа OER или Publisher

   ОпенСтакс

   Показать оглавление

   нет

2. Метки

   1. проводимость
   2. конвекция
   3. излучение

13.

4: Методы теплопередачи

1. Последнее обновление

2. Сохранить как PDF

• Безграничный
• Безграничный

цели обучения

• Оценить, почему определенные характеристики необходимы для эффективного проведения

Теплопроводность

Теплопроводность – это передача тепла через неподвижное вещество посредством физического контакта. (Материя неподвижна в макроскопическом масштабе — мы знаем, что существует тепловое движение атомов и молекул при любой температуре выше абсолютного нуля.) Тепло, передаваемое от электрической плиты ко дну кастрюли, является примером теплопроводности.

Некоторые материалы проводят тепловую энергию быстрее, чем другие. Например, подушка в вашей комнате может иметь ту же температуру, что и металлическая дверная ручка, но дверная ручка на ощупь холоднее. В общем, хорошие проводники электричества (такие металлы, как медь, алюминий, золото и серебро) также являются хорошими проводниками тепла, тогда как изоляторы электричества (дерево, пластик и резина) плохо проводят тепло.

Микроскопическое описание проводимости

В микроскопическом масштабе проводимость возникает, когда быстро движущиеся или вибрирующие атомы и молекулы взаимодействуют с соседними частицами, передавая часть своей кинетической энергии. Тепло передается за счет теплопроводности, когда соседние атомы вибрируют друг относительно друга или когда электроны перемещаются от одного атома к другому. Теплопроводность является наиболее важным средством передачи тепла внутри твердого тела или между твердыми телами, находящимися в тепловом контакте. Проводимость больше в твердых телах, потому что сеть относительно близких фиксированных пространственных отношений между атомами помогает передавать энергию между ними посредством вибрации.

Жидкости и газы обладают меньшей электропроводностью, чем твердые тела. Это связано с большим расстоянием между атомами в жидкости или (особенно) в газе: меньшее количество столкновений между атомами означает меньшую проводимость.

Микроскопическая иллюстрация проводимости : Молекулы в двух телах при разных температурах имеют разные средние кинетические энергии. Столкновения, происходящие на поверхности контакта, имеют тенденцию передавать энергию из высокотемпературных областей в низкотемпературные области. На этом рисунке молекула в области более низких температур (правая сторона) имеет низкую энергию до столкновения, но ее энергия увеличивается после столкновения с контактной поверхностью. Напротив, молекула в области более высоких температур (левая сторона) имеет высокую энергию перед столкновением, но ее энергия уменьшается после столкновения с контактной поверхностью.

(Средняя) кинетическая энергия молекулы в горячем теле выше, чем в более холодном. При столкновении двух молекул происходит передача энергии от горячей молекулы к холодной (см. рисунок выше). Совокупный эффект от всех столкновений приводит к чистому потоку тепла от горячего тела к более холодному. Таким образом, тепловой поток зависит от разности температур \(\mathrm{T=T_{горячее}-T_{холодное}}\). Поэтому от кипятка вы получите более сильный ожог, чем от горячей водопроводной воды. И наоборот, если температуры одинаковы, чистая скорость теплопередачи падает до нуля и достигается равновесие. В связи с тем, что число соударений увеличивается с увеличением площади, теплопроводность зависит от площади поперечного сечения. Если вы коснетесь холодной стены ладонью, ваша рука остынет быстрее, чем если вы просто коснетесь ее кончиком пальца.

Факторы, влияющие на скорость теплопередачи за счет теплопроводности

Помимо температуры и площади поперечного сечения, еще одним фактором, влияющим на теплопроводность, является толщина материала, через который передается тепло. Перенос тепла с левой стороны на правую осуществляется за счет серии столкновений молекул. Чем толще материал, тем больше времени требуется для передачи того же количества тепла. Если вам станет холодно ночью, вы можете взять более толстое одеяло, чтобы согреться.

Влияние толщины на теплопроводность : Теплопроводность происходит через любой материал, представленный здесь прямоугольной полосой. Температура материала равна \(\mathrm{T_2}\) слева и \(\mathrm{T_1}\) справа, где \(\mathrm{T_2}\) больше, чем \(\mathrm{ Т_1}\). Скорость передачи тепла теплопроводностью прямо пропорциональна площади поверхности \(\mathrm{A}\), разности температур \(\mathrm{T_2−T_1}\) и проводимости вещества kk. Скорость теплопередачи обратно пропорциональна толщине \(\mathrm{d}\).

Наконец, скорость теплопередачи зависит от свойств материала, описываемых коэффициентом теплопроводности. Все четыре фактора включены в простое уравнение, которое было выведено и подтверждено экспериментами. Скорость кондуктивной теплопередачи через пластину материала, такую ​​как показанная на рисунке выше, определяется выражением \(\mathrm{\frac{Q}{t}=\frac{kA(T_2−T_1)}{d} }\) где \(\mathrm{\frac{Q}{t}}\) — скорость теплопередачи в джоулях в секунду (Ватт), \(\mathrm{k}\) — теплопроводность материала , \(\mathrm{A}\) и \(\mathrm{d}\) — его площадь поверхности и толщина, а \(\mathrm{(T_2−T_1)}\) — разность температур поперек плиты.

Конвекция — это передача тепла макроскопическим движением жидкости, такой как двигатель автомобиля, охлаждаемый водой в системе охлаждения.

цели обучения

• Проиллюстрировать механизмы конвекции с фазовым переходом

Пример \(\PageIndex{1}\):

Расчет теплопередачи конвекцией: конвекция воздуха через стены дома.

Большинство домов негерметичны: воздух входит и выходит через двери и окна, через трещины и щели, по проводке к выключателям и розеткам и так далее. Воздух в типичном доме полностью заменяется менее чем за час.

Предположим, что дом средних размеров имеет внутренние размеры 12,0 м × 18,0 м × 3,00 м в высоту и весь воздух заменяется за 30,0 мин. Рассчитайте теплопередачу в единицу времени в ваттах, необходимую для нагрева поступающего холодного воздуха на 10,0 ºC, заменив, таким образом, тепло, передаваемое только конвекцией.

Стратегия:

Тепло используется для повышения температуры воздуха так, чтобы \(\mathrm{Q=mcΔT}\). Тогда скорость теплопередачи равна \(\mathrm{\frac{Q}{t}}\), где \(\mathrm{t}\) — время оборота воздуха. Нам дано, что \(\mathrm{ΔT}\) равно 10,0ºC, но мы все еще должны найти значения массы воздуха и его удельной теплоемкости, прежде чем мы сможем вычислить QQ. Удельная теплоемкость воздуха представляет собой средневзвешенное значение удельной теплоемкости азота и кислорода, которое равно \(\mathrm{c=cp≅1000 \;J/kg⋅C}\) (обратите внимание, что удельная теплоемкость при постоянном давлении должна использоваться для этого процесса). 96 \;Дж {1800 \; с}=4,64 \; кВт}\).

Эта скорость теплопередачи равна мощности, потребляемой примерно сорока шестью 100-ваттными лампочками.

Вновь построенные дома рассчитаны на время оборота 2 часа или более, а не 30 минут для дома в этом примере. Обычно используются зачистка от атмосферных воздействий, уплотнение и улучшенные уплотнители окон. В очень холодном (или жарком) климате иногда принимаются более экстремальные меры для достижения жесткого стандарта более 6 часов на один оборот воздуха. Еще более длительное время оборота вредно для здоровья, поскольку для снабжения кислородом для дыхания и разбавления бытовых загрязнителей требуется минимальное количество свежего воздуха. Термин, используемый для обозначения процесса проникновения наружного воздуха в дом через щели вокруг окон, дверей и фундамента, называется «инфильтрацией воздуха».

Конвекция

Конвекция (показана на ) — это согласованное коллективное движение ансамблей молекул внутри жидкостей (например, жидкостей, газов). Конвекция массы не может происходить в твердых телах, так как в твердых телах не может происходить ни объемного течения, ни значительной диффузии. Вместо этого диффузия тепла в твердых телах называется теплопроводностью, которую мы только что рассмотрели.

Конвекционные ячейки : Конвекционные ячейки в гравитационном поле.

Конвекция обусловлена ​​крупномасштабным потоком вещества. В случае Земли атмосферная циркуляция вызвана потоком горячего воздуха от тропиков к полюсам и потоком холодного воздуха от полюсов к тропикам. (Обратите внимание, что вращение Земли вызывает изменения направления воздушного потока в зависимости от широты.) Примером конвекции является автомобильный двигатель, охлаждаемый потоком воды в системе охлаждения, при этом водяной насос поддерживает поток холодной воды к поршням.

Хотя конвекция обычно более сложна, чем проводимость, мы можем описать конвекцию и выполнить некоторые простые, реалистичные расчеты ее эффектов. Естественная конвекция вызывается выталкивающими силами: горячий воздух поднимается вверх, потому что плотность уменьшается с повышением температуры. Этот принцип применим в равной степени к любой жидкости. Например, кастрюля с водой на плите согревается таким образом; океанские течения и крупномасштабная атмосферная циркуляция переносят энергию из одной части земного шара в другую.

Конвекция в кувшине с водой : Конвекция играет важную роль в передаче тепла внутри этого кувшина с водой. После прохождения внутрь теплопередача к другим частям горшка происходит в основном за счет конвекции. Более горячая вода расширяется, ее плотность уменьшается, и она поднимается, чтобы передать тепло другим областям воды, в то время как более холодная вода опускается на дно. Этот процесс продолжает повторяться.

Конвекция и изоляция

Хотя воздух может быстро передавать тепло за счет конвекции, он является плохим проводником и, следовательно, хорошим изолятором. Количество доступного пространства для воздушного потока определяет, действует ли воздух как изолятор или проводник. Расстояние между внутренней и внешней стенами дома, например, составляет около 9см (3,5 дюйма) — достаточно большой для эффективной работы конвекции. Добавление изоляции стен предотвращает поток воздуха, поэтому потери (или приток) тепла уменьшаются. Точно так же зазор между двумя стеклами окна с двойным остеклением составляет около 1 см, что предотвращает конвекцию и использует низкую проводимость воздуха для предотвращения больших потерь. Мех, волокно и стекловолокно также используют преимущества низкой проводимости воздуха, задерживая его в пространствах, слишком маленьких для поддержания конвекции. У животных мех и перья легкие и поэтому идеально подходят для их защиты.

Конвекция и фазовые переходы

Некоторые интересные явления происходят, когда конвекция сопровождается фазовым переходом. Он позволяет нам охлаждаться за счет потоотделения, даже если температура окружающего воздуха превышает температуру тела. Тепло от кожи требуется для того, чтобы пот испарился с кожи, но без притока воздуха воздух становится насыщенным и испарение прекращается. Воздушный поток, вызванный конвекцией, заменяет насыщенный воздух сухим воздухом, и таким образом продолжается испарение.

Другой важный пример комбинации фазового перехода и конвекции возникает при испарении воды из океана. Тепло отводится от океана при испарении воды. Если водяной пар конденсируется в виде капель жидкости при образовании облаков, в атмосферу выделяется тепло (это выделение тепла является скрытой теплотой). Таким образом, происходит общий перенос тепла из океана в атмосферу. Этот процесс является движущей силой грозовых облаков — огромных кучевых облаков, поднимающихся в стратосферу на высоту до 20,0 км. Водяной пар, переносимый конвекцией, конденсируется, высвобождая огромное количество энергии, и эта энергия позволяет воздуху становиться более плавучим (теплее, чем его окружение) и подниматься вверх. По мере того, как воздух продолжает подниматься, образуется больше конденсата, который, в свою очередь, поднимает облако еще выше. Такой механизм называется положительной обратной связью, так как процесс усиливает и ускоряет сам себя. Эти системы иногда вызывают сильные бури с молниями и градом и представляют собой механизм, вызывающий ураганы.

Кучевые облака : Кучевые облака образуются из-за водяного пара, который поднимается из-за конвекции. Подъем облаков управляется механизмом положительной обратной связи.

Излучение

Излучение – это передача тепла посредством электромагнитной энергии

цели обучения

• Объяснить, как энергия электромагнитного излучения соотносится с длиной волны

Излучение

Вы можете почувствовать передачу тепла от огня или Солнца. Тем не менее пространство между Землей и Солнцем в значительной степени пусто, без какой-либо возможности передачи тепла путем конвекции или теплопроводности. Точно так же вы можете сказать, что духовка горячая, не прикасаясь к ней и не заглядывая внутрь — она просто согревает вас, когда вы проходите мимо.

В этих примерах тепло передается излучением. Горячее тело излучает электромагнитные волны, которые поглощаются нашей кожей, и для их распространения не требуется никакой среды. Мы используем разные названия для электромагнитных волн разных длин волн: радиоволны, микроволны, инфракрасное излучение, видимый свет, ультрафиолетовое излучение, рентгеновские лучи и гамма-лучи.

Излучение от пожара : Большая часть тепла от этого пожара передается наблюдателям через инфракрасное излучение. Видимый свет, хотя и драматический, передает относительно небольшую тепловую энергию. Конвекция передает энергию от наблюдателей по мере подъема горячего воздуха, в то время как проводимость здесь пренебрежимо медленная. Кожа очень чувствительна к инфракрасному излучению, поэтому вы можете почувствовать присутствие огня, не глядя на него прямо.

Энергия электромагнитного излучения зависит от его длины волны (цвета) и изменяется в широких пределах; меньшая длина волны (или более высокая частота) соответствует более высокой энергии. Мы можем записать это как:

\[\mathrm{E=hf=\dfrac{hc}{λ}}\]

, где \(\mathrm{E}\) — энергия, \(\mathrm{f }\) — частота, \(\mathrm{λ}\) — длина волны, а \(\mathrm{h}\) — константа.

Поскольку при более высоких температурах выделяется больше тепла, изменение температуры сопровождается изменением цвета. Например, электрический элемент в печи светится от красного до оранжевого, а высокотемпературная сталь в доменной печи светится от желтого до белого. Излучение, которое вы чувствуете, в основном инфракрасное, температура которого еще ниже.

Излучаемая энергия зависит от ее интенсивности, которая представлена ​​высотой распределения .

Спектр излучения: (а) График спектров электромагнитных волн, испускаемых идеальным излучателем при трех различных температурах. Интенсивность или скорость испускания излучения резко возрастает с температурой, а спектр смещается в сторону видимой и ультрафиолетовой частей спектра. Заштрихованная часть обозначает видимую часть спектра. Очевидно, что сдвиг в сторону ультрафиолета с температурой приводит к смещению видимого изображения от красного к белому и к синему при повышении температуры. (b) Обратите внимание на изменения цвета, соответствующие изменениям температуры пламени.

Тепло

Перенос

Все объекты поглощают и излучают электромагнитное излучение. Скорость передачи тепла излучением во многом определяется цветом объекта. Черный — самый эффектный, а белый — наименее. Например, люди, живущие в жарком климате, обычно избегают носить черную одежду. Точно так же черный асфальт на парковке будет жарче, чем соседний серый тротуар в летний день, потому что черный поглощает лучше, чем серый. Верно и обратное — черный цвет излучает лучше, чем серый. Так, в ясную летнюю ночь асфальт будет холоднее серого тротуара, потому что черный излучает энергию быстрее, чем серый.

Идеальный излучатель, часто называемый черным телом, имеет тот же цвет, что и идеальный поглотитель, и улавливает все падающее на него излучение. Напротив, белый — плохой поглотитель, а также плохой излучатель. Белый предмет отражает все излучение, как зеркало. (Идеальная, отполированная белая поверхность выглядит как зеркало, а разбитое зеркало выглядит белым. )

Между температурой идеального излучателя и длиной волны, при которой он излучает наибольшее количество излучения, существует разумная зависимость. Он называется законом смещения Вина и определяется как: 9{−3} \; м⋅К}\).

Серые объекты обладают одинаковой способностью поглощать все части электромагнитного спектра. Цветные объекты ведут себя похожим, но более сложным образом, что придает им определенный цвет в видимом диапазоне и может делать их особенными в других диапазонах невидимого спектра. Возьмем, к примеру, сильное поглощение инфракрасного излучения кожей, что позволяет нам быть очень чувствительными к нему.

Хорошие и плохие излучатели : Черный предмет — хороший поглотитель и хороший излучатель, а белый (или серебристый) предмет — плохой поглотитель и плохой излучатель. Как будто излучение изнутри отражается обратно в серебряный предмет, тогда как излучение изнутри черного предмета «поглощается» при попадании на поверхность и оказывается снаружи и сильно излучается. 94}}\) — постоянная Стефана-Больцмана, А — площадь поверхности объекта, Т — его абсолютная температура в градусах Кельвина. Символ e обозначает коэффициент излучения объекта, который является мерой того, насколько хорошо он излучает. Идеальный угольно-черный (или черное тело) излучатель имеет e=1e=1, тогда как идеальный отражатель имеет \(\mathrm{e=0}\). Реальные объекты попадают между этими двумя значениями. Например, нити накаливания вольфрамовой лампочки имеют ee около 0,5, а сажа (материал, используемый в тонерах для принтеров) имеет (наибольшую известную) излучательную способность около 0,9.9.

Интенсивность излучения прямо пропорциональна четвертой степени абсолютной температуры — очень сильная температурная зависимость. Кроме того, излучаемое тепло пропорционально площади поверхности объекта. Если расколоть угольки костра, произойдет заметное увеличение излучения из-за увеличения площади излучающей поверхности.

Чистая скорость теплопередачи

Чистая скорость теплопередачи за счет излучения (поглощение минус излучение) связана как с температурой объекта, так и с температурой окружающей его среды. Предполагая, что объект с температурой \(\mathrm{T_1}\) окружен средой с одинаковой температурой \(\mathrm{T_2}\), чистая скорость передачи тепла излучением составляет: 94)}\)

где e — коэффициент излучения одного объекта. Другими словами, не имеет значения, является ли окружение белым, серым или черным; баланс излучения в объект и из него зависит от того, насколько хорошо он излучает и поглощает излучение. Когда \(\mathrm{T_2>T_1}\), величина \(\mathrm{\frac{Q_{net}}{t}}\) положительна; то есть чистая передача тепла происходит от более горячих объектов к более холодным объектам.

Ключевые моменты

• В микроскопическом масштабе проводимость возникает, когда быстро движущиеся или вибрирующие атомы и молекулы взаимодействуют с соседними частицами, передавая часть своей кинетической энергии.
• Теплопроводность является наиболее важной формой теплопередачи внутри твердого объекта или между твердыми телами, находящимися в тепловом контакте.
• Проводимость наиболее значительна в твердых телах и меньше в жидкостях и газах из-за пространства между молекулами.
• Скорость теплопередачи за счет теплопроводности зависит от разницы температур, размера площади контакта, толщины материала и тепловых свойств материала(ов), находящегося в контакте.
• Конвекция обусловлена ​​крупномасштабным потоком вещества в жидкостях. Твердые тела не могут передавать тепло путем конвекции.
• Естественная конвекция вызывается выталкивающими силами: горячий воздух поднимается вверх, потому что плотность уменьшается с повышением температуры. Этот принцип применим в равной степени к любой жидкости.
• Конвекция может передавать тепло намного эффективнее, чем теплопроводность. Воздух — плохой проводник и хороший изолятор, если пространство достаточно маленькое, чтобы предотвратить конвекцию.
• Конвекция часто сопровождает фазовые переходы, например, когда пот испаряется с вашего тела. Этот массовый поток при конвекции позволяет человеку охлаждаться, даже если температура окружающего воздуха превышает температуру тела.
• Энергия электромагнитного излучения зависит от длины волны (цвета) и изменяется в широких пределах: меньшей длине волны (или большей частоте) соответствует большая энергия.
• Все объекты излучают и поглощают электромагнитную энергию. Цвет объекта связан с коэффициентом излучения или эффективностью излучения энергии. Черный цвет наиболее эффективен, а белый — наименее эффективен (\(\mathrm{e=1}\) и \(\mathrm{e=0}\) соответственно).
• Идеальный излучатель, часто называемый черным телом, имеет тот же цвет, что и идеальный поглотитель, и улавливает все падающее на него излучение. 94}}\) — постоянная Стефана-Больцмана, \(\mathrm{A}\) — площадь поверхности объекта, а \(\mathrm{T}\) — его абсолютная температура в градусах Кельвина.
• Чистая скорость теплопередачи связана с температурой объекта и температурой его окружения. Чем больше разница, тем выше чистый тепловой поток.
• Температура объекта очень важна, потому что испускаемое излучение пропорционально этой величине в четвертой степени.

Ключевые термины

• теплопроводность : мера способности материала проводить тепло
• естественная конвекция : метод переноса тепла. Жидкость, окружающая источник тепла, получает тепло, становится менее плотной и поднимается вверх. Окружающая, более холодная жидкость перемещается, чтобы заменить ее. Затем эта более холодная жидкость нагревается, и процесс продолжается, образуя конвекционный поток.
• положительная обратная связь : петля обратной связи, в которой выходной сигнал системы усиливается с чистым положительным усилением в каждом цикле.
• черное тело : теоретическое тело, аппроксимируемое отверстием в полой черной сфере, которое поглощает все падающее электромагнитное излучение и не отражает его; имеет характерный спектр излучения.
• излучательная способность : Склонность поверхности к излучению энергии, обычно измеряемая на определенной длине волны.

ЛИЦЕНЗИИ И АВТОРСТВО

CC ЛИЦЕНЗИОННОЕ СОДЕРЖИМОЕ, ​​РАСПРОСТРАНЕННОЕ РАНЕЕ

• Курирование и пересмотр. Предоставлено : Boundless.com. Лицензия : CC BY-SA: Attribution-ShareAlike

CC. Предоставлено : Википедия. Расположен по адресу : en.Wikipedia.org/wiki/thermal%20conductivity . Лицензия : CC BY-SA: Attribution-ShareAlike

Колледж OpenStax, Колледж физики. 18 сентября 2013 г. Предоставлено : OpenStax, CNX. Расположен по адресу : http://cnx. org/content/m42228/latest/?collection=col11406/1.7 . Лицензия : CC BY: Attribution

положительных отзывов. Предоставлено : Викисловарь. Расположен по адресу : en.wiktionary.org/wiki/positive_feedback . Лицензия : CC BY-SA: Attribution-ShareAlike

черное тело. Предоставлено : Викисловарь. Расположен по адресу : en. wiktionary.org/wiki/blackbody . Лицензия : CC BY-SA: Attribution-ShareAlike

Коэффициент излучения

Эта страница под названием 13. 4: Методы теплопередачи распространяется по незаявленной лицензии и была создана, изменена и/или курирована Boundless.

1. Наверх

• Была ли эта статья полезной?

1. Тип изделия

   Раздел или страница

   Автор

   Безграничный

   Показать оглавление

   нет

2. Метки

   1. черный корпус
   2. Коэффициент излучения
   3. естественная конвекция
   4. положительный отзыв
   5. теплопроводность

Теплообмен

Тепло
энергия или, точнее, передача тепловой энергии.
В качестве энергии тепло измеряется в ваттах (Вт), а
температура измеряется в градусах Цельсия (C) или
Кельвин (К).
слова горячий и холодный имеют смысл только для родственника
основа. Тепловая энергия переходит от горячего материала к холодному
материал. Горячий материал нагревает холодный материал, а холодный
материал охлаждает горячий материал. Это действительно так
просто. Когда ты чувствуешь себя
тепло , что
вы чувствуете, это передача тепловой энергии от
что-то горячее к чему-то холодному.

Дисциплина теплопередачи
касаются только двух вещей: температуры и
поток тепла. Температура представляет собой количество
доступная тепловая энергия, тогда как тепловой поток представляет собой
перемещение тепловой энергии с места на место.
В микроскопическом масштабе тепловая энергия связана с
кинетическая энергия молекул. Чем больше материалов
температуры, тем больше термическое возбуждение его
составляющие молекулы (проявляются как в линейном движении
и колебательные режимы).

Проводка

Большинство
эффективным методом передачи тепла является теплопроводность .
Такой вид теплопередачи возникает при наличии
температура градиент по телу. В таком случае,
энергия передается из высокотемпературной области
в область низких температур из-за хаотического молекулярного движения
(диффузия). Аналогичным образом проводимость происходит в жидкостях и
газы. Области с большей молекулярной кинетической энергией
будут передавать свою тепловую энергию в регионы с меньшим
молекулярная энергия за счет прямых молекулярных столкновений. В
металлов, значительная часть транспортируемого теплового
энергия также переносится электронами зоны проводимости.
Различные материалы обладают различной способностью проводить
нагревать. Материалы, плохо проводящие тепло (дерево,
пенопласт) часто называют изоляторы . Однако,
материалы, хорошо проводящие тепло (металлы, стекло, некоторые
пластмассы) не имеют специального названия.

Простейший кондуктивный теплообмен можно описать как
одномерный тепловой поток, как показано на следующем
фигура.
Скорость теплового потока от одной стороны тела к другой.
другим или между объектами, которые соприкасаются, зависит от
площадь поперечного сечения потока, проводимость
материала и разницы температур между ними.
поверхностей или предметов.

Математически это можно выразить как

.

где q
— скорость теплопередачи в ваттах (Вт), k —
теплопроводность материала (Вт/м.К), А
площадь поперечного сечения теплового пути, а

является
градиент температуры в направлении потока
(К/м).

Приведенное выше уравнение
известен как закон теплопроводности Фурье. Следовательно,
скорость теплопередачи за счет теплопроводности через объект
на приведенном выше рисунке можно выразить как

Где л
толщина проводника (или длина),

Д Т
разница температур между одной стороной и
другое (например,
Д Т
= T ₁ T ₂
разница температур между стороной 1 и стороной 2).

Количество (ДТ/л)
в уравнении (16.5) называется температурным градиентом :
показывает, на сколько 0C или K изменяется температура за
единица расстояния, пройденного по пути теплового потока.
величина л/кА называется термическим сопротивлением

Термальный
сопротивление измеряется в единицах СИ кельвинов на ватт (К/Вт).
Обратите внимание на уравнение (16.6), что тепловое сопротивление
зависит от природы материала (термическая
проводимость к и геометрия кузова д/а ).
Мы реализуем из приведенных выше уравнений, мы реализуем тепло
скорость передачи в виде потока, а также сочетание теплового
электропроводность, толщина материала и площадь
сопротивление этому потоку.

Учитывая
температура как потенциальная функция тепла
поток, закон Фурье можно записать в виде

Если мы определим
сопротивление как отношение потенциала к
соответствующая скорость передачи, термическое сопротивление для
проводимость может быть выражена как

Это понятно
из приведенного выше уравнения, что уменьшение толщины или
увеличение площади поперечного сечения или теплового
проводимость объекта уменьшит его тепловую
сопротивление и увеличить скорость теплопередачи.

Конвекция

А
более медленным способом передачи тепла является конвекция, которая
включает потоки жидкости, которые переносят тепло из одного места
другому. При проводимости энергия течет через
материал, но сам материал не движется. В
конвекция, материал сам перемещается из одного места в
еще один. Конвективный теплообмен состоит из
два механизма: случайное молекулярное движение (диффузия) и
энергия, передаваемая объемным или макроскопическим движением
жидкость. Теплопередача от твердого тела к жидкости (жидкость или
газообразный) более сложен, чем перенос твердого тела, поскольку
перепады температур внутри жидкости обычно вызывают
внутреннее движение, известное как конвекционные потоки. В качестве
объем увеличивается с температурой, более теплые участки
жидкости имеют меньшую массу, чем более холодные области. Воздух плохой
проводник тепла, но он может легко течь и переносить тепло
конвекцией. Использование герметичных окон с двойным остеклением.
заменяет большую воздушную прослойку между штормовым окном и
обычное окно с гораздо меньшим зазором. Меньший воздух
зазор сводит к минимуму циркулирующие конвекционные потоки между
две панели.

Величина конвективного теплового потока
внутри жидкости зависит от площади контакта с
твердое тело, его вязкость, скорость обтекания твердого тела, течение
характеристики и общий перепад температур
между двумя. Также используется термин конвекция.
исторически описать перенос тепла от одного
твердого тела в другое, разделенное текучей средой.

Закон Ньютона
охлаждение выражает общий эффект конвекции:

Где ч
– коэффициент конвективной теплопередачи (Вт/м ² К),
A – площадь поверхности,

Д Т
= T _s T _f
разница температур между температурой поверхности
T _s , а температура жидкости T _f
. Как и в случае проводимости, тепловое сопротивление
также связано с конвекционным теплообменом и
можно выразить как

Конвективный теплообмен может быть
классифицируются по характеру течения жидкости.

Принужденный
конвекция возникает, когда поток вызван внешним
средства, такие как вентилятор, насос и т. д.

Радиация

наименее эффективным способом передачи тепла является излучение.
Лучистое тепло — это просто тепло
энергия в пути в виде электромагнитного излучения. Все
материалы излучают тепловую энергию в количествах, определяемых
по их температуре, где энергия переносится
фотонов света в инфракрасной и видимой частях
электромагнитный спектр.
В этом случае тепло движется в пространстве как
электромагнитное излучение без помощи
физическое вещество. Все объекты, содержащие тепло
излучают некоторый уровень лучистой энергии. Количество
излучение обратно пропорционально его длине волны
(чем короче длина волны, тем больше энергия
содержания), что, в свою очередь, обратно пропорционально
его температура (в К).

Солнечное тепло
является примером теплового излучения, достигающего
Земля. Радиационное тепло передается непосредственно в
поверхность любого твердого предмета, с которым он сталкивается (если только он не сильно
отражающая), но легко проходит через прозрачную
материалов, таких как воздух и стекло.
Идеальный тепловой излучатель или абсолютно черное тело будет излучать
энергии со скоростью, пропорциональной четвертой степени ее
абсолютная температура и площадь поверхности.
Математически это

куда

с
является константой пропорциональности (константа Стефана-Больцмана
= 5,66910 ^-8 Вт/м ² . K ⁴ ).
приведенное выше уравнение называется законом Стефана-Больцмана теплового
излучения и относится только к черным телам.
Температурная зависимость в четвертой степени означает, что
излучаемая мощность очень чувствительна к изменениям температуры.
Если абсолютная температура тела удвоится, то
излучаемая энергия увеличивается в 2 раза ⁴ =
16.

Для тел не
ведет себя как черное тело, фактор, известный как излучательная способность
e , который связывает излучение поверхности с этим
идеальной черной поверхности. Уравнение становится

Излучательная способность колеблется от 0 до 1; и
= 1 для идеального излучателя и поглотителя (черное тело)
и e = 0 для идеального радиатора. Кожа человека, для
например, независимо от того, какая пигментация, имеет
коэффициент излучения около 0,97 в инфракрасной части
спектр. В то время как полированный алюминий имеет коэффициент излучения
около 0,05.

Термальный
излучение тела используется как диагностический инструмент в
лекарственное средство. Термограмма показывает, является ли одна область
излучает больше тепла, чем должно, что указывает на более высокую
температура из-за аномальной клеточной активности.
Термография или тепловидение в медицине основано на
естественное тепловое излучение кожи. Большим преимуществом является
сияние, свободное от принципа измерения.

Определенный
участки тела имеют разные уровни температуры. Если один
обнажает тело, т.е. к охлаждающему аттракциону, то
зоны тела кожи реагируют, чтобы восстановить
тепловой баланс тела. Тем самым терморегуляция
пораженных участков тела и органов отличается от
здоровый. Так называемая «регуляторная термография».
на основе этого принципа.

Резюме

Фото: Университет Висконсина

Методы теплопередачи, используемые при обжарке • Кофе с маслянистым пятном

Тепло – это форма передачи энергии. Тепло перемещается от более высокой концентрации к более низкой концентрации. Когда два объекта соприкасаются друг с другом, тепло будет течь между ними до тех пор, пока два объекта не достигнут теплового равновесия или не разделятся и больше не соприкасаются.

Существуют три основные формы теплопередачи, которые нас интересуют при обжарке в барабане. конвекция, теплопроводность и излучение.

Конвекция

Конвекция является доминирующей формой передачи тепла во время обжарки и является ключевым фактором формирования тела и вкуса кофе. Конвекционное тепло — это тепло, проходящее через жидкость, такую ​​как жидкость или газ. Тепловое движение может быть естественным, и в этом случае более теплая жидкость поднимается, а более холодная опускается. Конвекцию также можно вызвать с помощью вентилятора или насоса. При обжарке в барабане используется принудительная конвекция, которая перемещает тепло от источника тепла (горелки, нагревательного элемента, нагретого металла, нагретых зерен, поверхности барабана и т. д.) к вытяжке. У нас также есть естественная конвекция с жидкостями внутри бобов, такими как вода, воздух и т. д.

Мы можем управлять принудительной конвекцией в барабанной жаровне за счет подачи тепла на горелки, а также движения воздуха через сам барабан с помощью скорости вентилятора, воздушных заслонок и т. д., в зависимости от конструкции конкретной жаровни.

Несколько моментов, о которых следует помнить при управлении воздухом:

1. Воздушный поток оказывает обезвоживающее действие.
2. Вода необходима для образования более качественных сахаров на более позднем этапе обжарки
3. Вода обладает высокой теплоемкостью и, следовательно, обладает как изолирующим, так и теплоотводящим эффектом

Как и во всем, что касается обжарки, ключевым моментом является баланс, и экспериментирование — лучший способ определить, какой профиль обжарки необходим для ваших конкретных зерен. Помните, когда экспериментируете; изменяйте только одну переменную за раз, чтобы вы знали, какое изменение имело конкретный эффект. В случае игры с потоком воздуха и сладостью поддерживайте нормальные время и температуру для данного профиля, но регулируйте поток воздуха только в течение одной фазы и смотрите, каков будет результат. Например, если у вас обычно обжарка 5:4:3 (фаза сушки 5 минут, фаза майяра 4 минуты, фаза прожарки 3 минуты), то поддерживайте профиль 5:4:3 с той же температурной кривой, что и обычно. но на этапе майяра проверьте, используя меньшее количество воздуха, затем сделайте еще одно точно такое же обжаривание, за исключением того, что на этапе майяра используйте больше воздуха. Затем поместите в чашку и сравните два обжаривания и посмотрите, какое из них получается лучше.

В случае обжаривания кофе конвекция передает тепло от источника к кофейному зерну, где происходит теплопроводность.

Теплопроводность

Теплопроводность передается через прямой физический контакт. Тепло передается от более высокой концентрации к более низкой концентрации и может происходить при контакте зерен с жидкостью (воздух), зерен с зернами, зерен с барабаном и т. д. Ключевой областью, вызывающей озабоченность в отношении проводимости, является степень или интенсивность предварительный нагрев. Думайте о более высокой температуре капли как о большем запасе энергии в системе (металл барабана, задняя пластина, воздух и т. д.). Как только бобы соприкасаются с нагретым веществом, они начинают поглощать тепловую энергию. Металл в жаровне вызывает особую озабоченность в начале обжарки, потому что, если он слишком горячий, это может привести к дефектам обжарки.

Признаки чрезмерной теплопроводности включают опрокидывание, неравномерную прожарку и крапчатые, подгоревшие бобы. В барабанной жаровне трудно напрямую контролировать проводимое тепло. Например, сокращение подачи тепла на горелки не оказывает непосредственного влияния на температуру барабана. Существует некоторая задержка между изменениями управления и их влиянием на проводимость.

Излучаемое

Излучаемое тепло является наиболее сложной из трех форм теплопередачи и наиболее трудным для измерения или контроля. Излучаемое тепло распространяется со скоростью света и, в отличие от конвекции или теплопроводности, излучение не требует среды для его переноса. Вместо этого он излучается в виде электромагнитных волн. Все поверхности внутри жаровни производят тепловое излучение, как и сами зерна. Из-за сложности контроля или даже измерения излучаемого тепла лучше всего просто осознавать его присутствие и его способность влиять на общее тепло.

Ни одна из форм теплопередачи не является независимой друг от друга. Воздух будет отводить тепло как к зернам, так и к барабану, в то время как предварительно нагретый барабан будет отводить тепло к зернам и т. д. какой метод преобладает на какой стадии обжарки.

Согласно Терри Дэвису, нижеследующее показывает, какой метод теплопередачи обычно преобладает на трех этапах обжарки ¹ :

1. Барабан, воздух, бобы
2. Воздух, Барабан, Бобы
3. Фасоль, Барабан, Воздух

Телеметрия

Как минимум, вы хотите измерить температуру окружающей среды и температуру бобовой массы. Чтобы получить температуру воздуха, мы хотим, чтобы датчик температуры находился в воздушном пространстве самого барабана. Мы не хотим, чтобы он был слишком близко к какой-либо металлической поверхности, и мы не хотим, чтобы он был слишком близко к самой бобовой массе. Для считывания температуры зерен мы хотим, чтобы температурный датчик был расположен так, чтобы датчик всегда соприкасался с зернами, когда они катятся по барабану. Измерение температуры в этих двух точках дает нам некоторое представление о том, что происходит внутри барабана, и об оставшемся импульсе, т. е. повышаем ли мы в настоящее время температуру окружающей среды, или мы продолжаем поддерживать текущую температуру окружающей среды, или мы теряем температуру окружающей среды? Знание этого помогает оператору постоянно достигать желаемого времени и температуры. Чтобы узнать больше об импульсе обжарки, прочитайте о скорости изменения (или скорости роста).

См. также: Как избежать удара и падения

Контроль

В барабанной жаровне температура зерен является результатом температуры окружающей среды, которая является результатом работы горелок, воздушного потока и тепла, излучаемого горячие поверхности внутри ростера, а на более поздних стадиях обжаривания — сами зерна. Обжарка, основанная исключительно на температуре зерен, является реактивной. Оптимальная система управляет обжаркой на основе скорости изменения температуры окружающей среды и температуры зерен, а также разницы между ними (большая разница означает больше потенциальной энергии для выполнения работы).

На стадии обжарки, сразу после первой трещины, зерна становятся экзотермическими, что означает, что текущие химические реакции производят тепло в качестве побочного продукта, и это тепло, конечно же, добавляется к общей тепловой энергии системы. Поэтому важно знать и приспосабливаться к этому новому источнику тепла. В конце обжаривания доступно бесконечно больше тепла, поэтому очень легко потерять контроль и выйти за пределы целевой обжарки. Помните о своих контрольных показателях обжарки на ходу!

Некоторые вещи, которые следует помнить при передаче тепла:

1. Количество влаги, присутствующей в зеленой фасоли, влияет на скорость обжаривания
2. Более мощный воздушный поток может потребовать более высокой тепловой энергии, чтобы избежать потерь тепла

Знание трех методов теплопередачи в барабанном обжарочном аппарате и наличие точных и последовательных показаний температуры окружающей среды и массы зерен дает нам лучший контроль над обжаркой и позволяет более точно достигать целей по времени и температуре. А знание — это полдела.

^{1. Терри Дэвис, «The Heat is On, A Roaster’s Guide to Heat Transfer», журнал Roast Magazine, май/июнь 2009 г.↩}

  Продолжить обучение : Ищете другие статьи о обжарке? Загляните на эту страницу, чтобы узнать больше!

Значение 4 Значение

  Если вы нашли этот контент полезным, поддержите мою работу. Я не беру фиксированную плату или цену за предоставление этого. Вы можете помочь сохранить подобную информацию в открытом доступе, сопоставив ценность, которую вы получили в контенте; значение 4 значение.

KO-Fi / Биткойн-кошелек: 32SW9KCASJDZVQKBASHLUZBSD9YS8DDQE8

Методы тепло-передачи, и разница в разнице между разницей в разнице между разницей в разнице между разницами между разницей в разнице между разницей в разнице.

Загрузить эту статью в формате PDF

Теплопередача — это физический акт обмена тепловой энергией между двумя системами путем рассеивания тепла. Температура и поток тепла являются основными принципами теплообмена. Количество доступной тепловой энергии определяется температурой, а тепловой поток представляет собой движение тепловой энергии.

В микроскопическом масштабе кинетическая энергия молекул находится в прямой зависимости от тепловой энергии. По мере повышения температуры молекулы увеличивают тепловое возбуждение, проявляющееся в прямолинейном движении и вибрации. Области с более высокой кинетической энергией передают энергию областям с более низкой кинетической энергией. Проще говоря, теплообмен можно разделить на три основные категории: теплопроводность, конвекция и излучение.

Изображение выше, предоставленное НАСА, показывает, как все три метода теплопередачи (проводимость, конвекция и излучение) работают в одной и той же среде.

Теплопроводность

Теплопроводность передает тепло посредством прямого молекулярного столкновения. Область с большей кинетической энергией будет передавать тепловую энергию области с меньшей кинетической энергией. Частицы с более высокой скоростью будут сталкиваться с частицами с более низкой скоростью. В результате кинетическая энергия частиц с более низкой скоростью будет увеличиваться. Теплопроводность является наиболее распространенной формой теплопередачи и происходит через физический контакт. Например, прислонить руку к окну или поднести металл к открытому пламени.

Процесс теплопроводности зависит от следующих факторов: градиента температуры, поперечного сечения материала, длины пути перемещения и физических свойств материала. Градиент температуры — это физическая величина, описывающая направление и скорость распространения тепла. Температурный поток всегда будет происходить от самой горячей к самой холодной или, как указывалось ранее, от большей к меньшей кинетической энергии. Как только между двумя разностями температур устанавливается тепловое равновесие, теплопередача прекращается.

Поперечное сечение и путь прохождения играют важную роль в проводимости. Чем больше размер и длина объекта, тем больше энергии требуется для его нагрева. И чем больше площадь открытой поверхности, тем больше тепла теряется. Меньшие объекты с небольшим поперечным сечением имеют минимальные потери тепла.

Физические свойства определяют, какие материалы передают тепло лучше других. В частности, коэффициент теплопроводности диктует, что металлический материал будет проводить тепло лучше, чем ткань, когда речь идет о проводимости. Следующее уравнение вычисляет скорость проводимости:

Q = [k · A · (T _{горячий} – T _{холодный} )]/d

, где Q = тепло, передаваемое в единицу времени; k = теплопроводность барьера; A = площадь теплообмена; T _hot = температура горячей области; T _cold = температура холодного региона; d = толщина барьера.

Современное использование проводимости разрабатывает доктор Гьюнг-Мин Чой из Университета Иллинойса. Доктор Чой использует спиновой ток для создания вращающего момента. Момент передачи спина — это передача углового момента спина, создаваемого электронами проводимости, на намагниченность ферромагнетика. Вместо использования магнитных полей это позволяет манипулировать наномагнитами с помощью спиновых токов. (Предоставлено Алексом Хересом, Imaging Technology Group, Институт Бекмана)

Конвекция

Когда жидкость, такая как воздух или жидкость, нагревается и затем удаляется от источника, она уносит с собой тепловую энергию. Такой вид теплообмена называется конвекцией. Жидкость над горячей поверхностью расширяется, становится менее плотной и поднимается вверх.

На молекулярном уровне молекулы расширяются при введении тепловой энергии. При увеличении температуры данной массы жидкости объем жидкости должен увеличиваться во столько же раз. Это воздействие на жидкость вызывает смещение. По мере того, как горячий воздух поднимается вверх, он толкает более плотный и холодный воздух вниз. Эта серия событий показывает, как формируются конвекционные потоки. Уравнение для скоростей конвекции рассчитывается следующим образом:

Q = h _c · A · (T _s – T _f )

где Q = тепло, передаваемое в единицу времени; h _c = коэффициент конвективной теплопередачи; A = площадь теплообмена поверхности; T _s = температура поверхности; и T _f = температура жидкости.

Обогреватель — классический пример конвекции. По мере того, как обогреватель нагревает воздух, окружающий его у пола, температура воздуха повышается, он расширяется и поднимается к верхней части комнаты. Это заставляет более холодный воздух опускаться вниз, так что он нагревается, создавая тем самым конвекционный поток.

Излучение

Тепловое излучение возникает в результате излучения электромагнитных волн. Эти волны уносят энергию от излучающего объекта. Излучение происходит через вакуум или любую прозрачную среду (твердую или жидкую). Тепловое излучение является прямым результатом случайных движений атомов и молекул в материи. Движение заряженных протонов и электронов приводит к излучению электромагнитного излучения.

Все материалы излучают тепловую энергию в зависимости от их температуры. Чем горячее объект, тем больше он будет излучать. Солнце является ярким примером теплового излучения, которое переносит тепло через солнечную систему. При нормальной комнатной температуре объекты излучают инфракрасные волны. Температура объекта влияет на длину волны и частоту излучаемых волн. По мере повышения температуры длины волн в спектрах испускаемого излучения уменьшаются и излучаются более короткие волны с более высокочастотным излучением. Тепловое излучение рассчитывается по закону Стефана-Больцмана:

P = e · σ · A · (T _r ⁴ – T _c ⁴ )

где P = чистая излучаемая мощность; A = площадь излучения; Tr = температура радиатора; Tc = температура окружающей среды; е = коэффициент излучения; и σ = постоянная Стефана.

Коэффициент излучения идеального радиатора имеет значение 1. Обычные материалы имеют более низкие значения коэффициента излучения. Анодированный алюминий имеет коэффициент излучения 0,9, а медь — 0,04.

Солнечная батарея или фотогальванический элемент, преобразующий энергию света в электричество за счет фотогальванического эффекта.