Значение видов теплопередачи в авиации: доклад значение видов теплопередачи в авиации

Содержание

Значение видов теплопередачи в авиации и при полетах в космос , выполненный доклад по биологии на Автор24

выполнено на сервисе Автор24

Студенческая работа на тему:

Значение видов теплопередачи в авиации и при полетах в космос

Как заказчик описал требования к работе:

Задание: сделать доклад по биологии за 2 дня, красиво оформить. Сколько стоит доклад пишите точно.

Стоимость
работы

200 ₽

Заказчик не использовал рассрочку

Гарантия сервиса
Автор24

20 дней

Заказчик воспользовался гарантией для внесения правок на основе комментариев преподавателя

Значение видов теплопередачи в авиации и при полетах в космос . docx

Общая оценка

5

Положительно

Отличная работа!!!! Сделана раньше срока! Огромное спасибо автору за отличный реферат!!!!

Хочешь такую же работу?

Зарегистрироваться

Тебя также могут заинтересовать

по этому предмету
по этому типу и предмету

Биофизика Распространение пульсовой волны по сосудам.

Реферат

Биология

Стоимость:

300 ₽

Характеристика мелколиственных лесов

Реферат

Биология

Стоимость:

300 ₽

Хромосомные мутации:дубликации,транслокации,полиплодии,гетероплодии ,их механизмы

Реферат

Биология

Стоимость:

300 ₽

Внедрение интенсивная технология возделывания яровых культур

Курсовая работа

Биология

Стоимость:

700 ₽

Особо охраняемые природные территории России.

Реферат

Биология

Стоимость:

300 ₽

Механизмы регуляции метаболизма у растений

Реферат

Биология

Стоимость:

300 ₽

Тест по теме Регуляторные системы организма

Другое

Биология

Стоимость:

300 ₽

Водородный показатель. Принцип метода рН-метрии. Приборы используемые для определения рН растворов

Реферат

Биология

Стоимость:

300 ₽

Сходства и различия клеток организма человека

Реферат

Биология

Стоимость:

300 ₽

Встречаемость грибов родаCandida в лабораторном материале

Курсовая работа

Биология

Стоимость:

700 ₽

Решить 3 контрольных по биологии за 10 класс

Ответы на вопросы

Биология

Стоимость:

300 ₽

Статья о сельском хозяйстве

Статья

Биология

Стоимость:

300 ₽

Направления создания различных сортов трансгенной кукурузы

Доклад

Биология

Стоимость:

300 ₽

Возрастные особенности нервной системы юношества

Доклад

Биология

Стоимость:

300 ₽

Доклад на тему: «Половой диморфизм человека. Аспекты полового диморфизма».

Доклад

Биология

Стоимость:

300 ₽

Нарушение сознания(клиническая психология) биология

Доклад

Биология

Стоимость:

300 ₽

Сельское хозяйство

Доклад

Биология

Стоимость:

300 ₽

бт

Доклад

Биология

Стоимость:

300 ₽

Витамины: виды и их роль в организме человека

Доклад

Биология

Стоимость:

300 ₽

Расселение и распространение живых организмов

Доклад

Биология

Стоимость:

300 ₽

Цитологический метод при скрининге рака шейки матки

Доклад

Биология

Стоимость:

300 ₽

Читай полезные статьи в нашем

Класс Насекомые. Общая характеристика класса

Класс Насекомые (Insecta) относится к надклассу Шестиногие (Hexapoda) подтипу Трахейнодышащие (Tracheata) типу Членистоногие (Arthropoda).
Выделяют класс Насекомые скрыточелюстные и класс Насекомые открыточелюстные.
Всего известно порядка

1

млн. видов. Однако энтомологи считают, что эта цифра может достигать

2-3

млн.
Класс скрыточелюстных насекомых имеет отличительные от класса открыточелюстных …

подробнее

Класс Хрящевые рыбы. Общая характеристика класса

Подкласс Пластинчатожаберные или акуловые рыбы
Надотряд Акулы включает 8 отрядов:
Надотряд Скаты
Подкласс Цельноголовые (Holocephali)
(Отряд Химерообразные).
Надотряд Акулы
Общие особенности в строении акуловых рыб
Пищеварительная система представлена желудком и тремя отделами кишечника: толстая, тонкая кишка и клоака. До 25% от массы тела составляет печень. Язык расположен на дне ротовой полости….

подробнее

Механизмы защиты человека от болезнетворных организмов в пищеварительном канале. Ожирение и диабет

Пищеварительный канал человека обладает эффективными барьерами, препятствующих проникновению внутрь организма патогенных микроорганизмов и ядовитых веществ:
Слюна ротовой полости содержит лизоцим, соединение, обладающее бактерицидным действием.
В процессе пищеварения кислотность желудочного сока представляет собой сильно кислую среду и составляет 0,8-1,5, (в покое кислотность равна 6,0). Кислотност…

подробнее

Развитие жизни на Земле

Ученые разбили всю историю развития Земли на определенные промежутки времени – эры и периоды. Каждая из этих эпох характеризуется своеобразием климатических условий, особенностями растительного мира и фауны.
Графическое отражение «разбивки» истории нашей планеты представлено геохронологической таблицей. Она часто присутствует на тектонических картах географических атласов и является прекрасной илл…

подробнее

Класс Насекомые. Общая характеристика класса

Класс Насекомые (Insecta) относится к надклассу Шестиногие (Hexapoda) подтипу Трахейнодышащие (Tracheata) типу Членистоногие (Arthropoda).
Выделяют класс Насекомые скрыточелюстные и класс Насекомые открыточелюстные.
Всего известно порядка

1

млн. видов. Однако энтомологи считают, что эта цифра может достигать

2-3

млн.
Класс скрыточелюстных насекомых имеет отличительные от класса открыточелюстных …

подробнее

Класс Хрящевые рыбы. Общая характеристика класса

Подкласс Пластинчатожаберные или акуловые рыбы
Надотряд Акулы включает 8 отрядов:
Надотряд Скаты
Подкласс Цельноголовые (Holocephali)
(Отряд Химерообразные).
Надотряд Акулы
Общие особенности в строении акуловых рыб
Пищеварительная система представлена желудком и тремя отделами кишечника: толстая, тонкая кишка и клоака. До 25% от массы тела составляет печень. Язык расположен на дне ротовой полости….

подробнее

Механизмы защиты человека от болезнетворных организмов в пищеварительном канале. Ожирение и диабет

Пищеварительный канал человека обладает эффективными барьерами, препятствующих проникновению внутрь организма патогенных микроорганизмов и ядовитых веществ:
Слюна ротовой полости содержит лизоцим, соединение, обладающее бактерицидным действием.
В процессе пищеварения кислотность желудочного сока представляет собой сильно кислую среду и составляет 0,8-1,5, (в покое кислотность равна 6,0). Кислотност…

подробнее

Развитие жизни на Земле

Ученые разбили всю историю развития Земли на определенные промежутки времени – эры и периоды. Каждая из этих эпох характеризуется своеобразием климатических условий, особенностями растительного мира и фауны.
Графическое отражение «разбивки» истории нашей планеты представлено геохронологической таблицей. Она часто присутствует на тектонических картах географических атласов и является прекрасной илл…

подробнее

Проект » Виды теплопередачи в быту и технике» физика 8 класс | Проект по физике (8 класс):

КРАЕВОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ КАЗЕННОЕ ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

«ВЕЧЕРНЯЯ (СМЕННАЯ) ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНАЯ ШКОЛА №1»

ПРОЕКТ

ВИДЫ ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ В БЫТУ И ТЕХНИКЕ

                                                                     

                                                                      Авторы проекта:

                                                                       учащиеся 8 класса               

                                                        Голейников Иван

                                           Егоров Ян

                                                           Кондратьев Степан

                                                          Марчченко Сергей

                                                                    Колединцев Константин

                                                          Мельников Роман

                                                              Решетников Рустам                

                                                          Суховской Рустам

                                                           Теленчинов Юрий

 

                                                                            Руководитель проекта:      

                                                          учитель физики

                                                                                            Добровольский Анатолий Андреевич

Рубцовск

2019

СОДЕРЖАНИЕ

Введение …. ………………………………………………………………………………………………………. . 3

1. Теплопередача и ее виды

     1.1 Что такое теплопередача ……………………………………………………………………….. … 4

     1.2  Виды теплопередачи ………………………………………………………………………………..  4

     1.3  Теплопроводность ………………………………………………………………………………….. . 4

     1.4  Излучение ………………………………………………………………………………………………..  5

     1.5  Конвекция ………… …………………………………………………………………………………….  8

     1.6  Все виды теплопередачи одновременно …………………………………………………….  9

 2. Заключение ……………………………………….. …………………………………………………………… 11

 3. Информационные ресурсы ………………………………………………………………………………. 13

2

ВВЕДЕНИЕ.

   

   В нашей повседневной жизни мы привыкли пользоваться бытовой техникой, различной аппаратурой и гаджетами, жить в комфортных условиях. Однако, мы практически не задумываемся над тем благодаря каким закона физики работают наши  «помощники» и самое главное не представляют ли они опасность для человека и окружающей среды. Поэтому изучение данной темы актуально.

  Проблема — изучить насколько воздействие бытовых приборов, аппаратуры и гаджетов опасно для человека и способах снижения вреда от этого воздействия. 

   Объект исследования — теплопередача.

   Предмет исследования — причины возникновения  и последствия воздействия теплопередачи на организм человека.  

 Цель — всесторонне изучить информацию по видам теплопередачи, использованию излучения, теплопроводности и конвекции в быту и технике, выявить влияние теплопередачи на организм человека.  

   Задачи:

      1.   Изучить явление теплопередачи.

  1. Рассмотреть виды теплопередачи и их применение в быту и технике.
  2. Проанализировать насколько воздействие теплопередачи опасно для человека.
  3. Определить способы снижения вреда от этого воздействия.

   Гипотезы:

  1. явление теплопередачи не имеет применения в быту и технике;
  1. возможно, что виды теплопередачи имеют широкое применение в нашей жизни.
  2. оно влияет на организм человека и может быть смертельно опасно.

   Методы исследования – поиск, изучение источников информации (книги, статьи, сайты), наблюдение, анализ.

 Теоретическая значимость нашей исследовательской работы заключается в том, что результаты исследования могут быть использованы  для снижения влияния явления теплопередачи на организм человека.

  Практическая значимость исследования состоит в том, что оно может быть использовано школьниками для повышения образовательного уровня, учителем биологии и физики для объяснения тем и проведения занимательного урока охраны здоровья.

   Этапы работы:

подготовительный (сентябрь 2019 г.) – сбор информации по теме исследования из различных источников, планирование работы;

проведение наблюдений (сентябрь-октябрь 2019 г.) – проведение наблюдений за применением данного явления в быту и технике;

подведение итогов эксперимента (октябрь 2019 г.) – анализ собранных данных, выводы.

   Тип проекта — информационный.

3

ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

1. ТЕПЛОПЕРЕДАЧА И ЕЕ ВИДЫ

1.1 Что такое теплопередача

   Процесс передачи тепла от более нагретого тела к менее нагретому  называется теплопередачей.

       Каждый предмет может служить «мостиком», по которому перейдет тепло от тела более нагретого к телу менее нагретому. Таким «мостиком» может быть ложка, опущенная в стакан с горячим чаем. Металлические предметы очень хорошо проводят тепло. Конец ложки в стакане становится теплым уже через секунду. Если нужно перемешать какую-либо горячую смесь, то ручку у мешалки делают из дерева или пластмассы. Эти тела проводят тепло во много раз хуже, чем металлы. «Мостиком» для перехода тепла могут быть и жидкости. Но они проводят тепло хуже твердых тел.

1.2 Виды теплопередачи

    Существуют три вида теплопередачи: теплопроводность, конвекция и излучение. (Слайд 2). Эти виды теплопередачи имеют свои особенности, однако передача теплоты при каждом из них всегда идет в одном направлении: от более нагретого тела к менее нагретому. При этом внутренняя энергия более нагретого тела уменьшается, а более холодного — увеличивается.. Внутренняя энергия может передаваться не только непосредственно от одного тела к другому, как, например, от горячей воды к опущенной в нее холодной ложке, но и через промежуточные тела. Так, через стенку чайника часть внутренней энергии от горячей электроплиты передается воде; через металлические трубы отопительной системы тепло передается воздуху, находящемуся в помещении и т.д. Внутренняя энергия может передаваться и от более нагретой части одного и того же тела к другой его части, менее нагретой.

1.3 Теплопроводность

   Явление передачи энергии от более нагретой части тела к менее нагретой или от более нагретого тела к менее нагретому через непосредственный контакт или промежуточные тела называется теплопроводностью. (Слайд 3).  

  Металлы имеют большую теплопроводность, особенно медь, серебро. Они являются хорошими проводниками тепла. Это происходит из-за того, что молекулы, обладающие большей энергией, передают часть своей энергии соседним молекулам. В результате все тело постепенно нагревается. Само вещество при этом не перемещается [1].

  Нагревание металлического стержня, к которому с помощью пластилина прикреплены гвоздики. (Слайд 4). При нагревании конца стержня пламенем свечи гвоздики начинают последовательно отпадать. Это происходит потому, что молекулы, находящиеся у конца стержня приобретают при нагревании большую энергию и передают ее соседним молекулам. Постепенно эта энергия передается следующим молекулам и стержень нагревается.

  В жидкостях внутренняя энергия переносится из более нагретой области в менее нагретую при соударениях молекул и частично за счет диффузии: более быстрые молекулы проникают в менее нагретую область. У жидкостей, за исключением расплавленных металлов, например ртути, теплопроводность невелика. (Слайд 5). 

     В газах, особенно разреженных, молекулы находятся на достаточно больших

расстояниях друг от друга, поэтому их теплопроводность еще меньше, чем у жидкостей.

4

Явление диффузии при теплопередаче в газах проявляется больше, чем в жидкостях. Совершенным изолятором является вакуум, потому что в нем отсутствуют частицы для передачи внутренней энергии.  (Слайд 6).

    В зависимости от внутреннего строения теплопроводность разных веществ (твердых, жидких, газообразных) различна.  (Слайд 7).

Примеры:

1. Птицы зимой сидят нахохлившись. Перья задерживают воздух, а он обладает плохой теплопроводностью. Снег, особенно рыхлый, обладает очень плохой теплопроводностью. Этим объясняется то, что сравнительно тонкий слой снега предохраняет озимые посевы от вымерзания.  Погреба утепляют соломой. Мех животных из-за плохой теплопроводности предохраняет их от охлаждения зимой и перегрева летом. Люди зимой носят шубы. 

2. Ручки чайников, сковородок и т.д. из пластмассы, т.к. она плохо нагревается; корпус посуда из металла – он лучше проводит тепло и еда быстрее нагревается. в момент прикосновения к железной ручке кастрюли с кипящей водой можно получить ожог.

3. Пористые вещества (пенопласт, минеральная вата, паралон и т.д.) – хорошая теплоизоляция, т.к. воздух обладает плохой теплопроводностью. Тонкий слой воздуха между оконными стеклами предохраняет наше жилище от холода так хорошо, как и кирпичная стена. У термоса внутренняя поверхность зеркальная, а между внутренним и внешним сосудами пустота. (слайд 8)

1.4  Излучение

 

   Когда вы сидите перед костром, вас согревает исходящее от него тепло. То же самое происходит, если поднести ладонь к горящей лампочке, не дотрагиваясь до нее. Вы тоже почувствуете тепло. Самые крупные примеры теплопередачи в быту и природе возглавляет солнечная энергия. Каждый день тепло солнца проходит через 146 млн. км пустого пространства вплоть до самой Земли. Это движущая сила для всех форм и систем жизни, которые существуют на нашей планете сегодня. Без этого способа передачи мы были бы в большой беде, и мир был бы совсем не тот, каким мы его знаем. Излучение — это передача тепла с помощью электромагнитных волн, будь то радиоволны, инфракрасные, рентгеновские лучи или даже видимый свет. Все объекты излучают и поглощают лучистую энергию, включая самого человека, однако не все предметы и вещества справляются с этой задачей одинаково хорошо. (Слайд 9).

   Излучение — это разница между поглощенным и отраженным количеством тепла. Эта способность сильно зависит от цвета, черные объекты поглощают больше тепла, чем светлые.

   

     Виды излучения. (Слайд 10).

1.Тепловое. При столкновении быстрых атомов (или молекул) друг с другом часть их кинетической энергии превращается в энергию возбуждения атомов, которые затем излучают свет (Солнце, лампа накаливания, пламя и др.) (Слайд 11).

2.Электролюминесценция. При разряде в газе электрическое поле увеличивает кинетическую энергию электронов. Быстрые электроны возбуждают атомы в результате неупругого ударения с ними. Возбужденные атомы отдают энергию в виде световых волн. (трубки для рекламных надписей, северное сияние и др.) (Слайд 12).

 Способность тел по-разному поглощать энергию излучения используется человеком.

5

Например: — воздушные шары и крылья самолетов красят серебристой краской, чтобы они не нагревались солнцем. — если же нужно использовать солнечную энергию для нагревания некоторых приборов на искусственных спутниках Земли, то эти части окрашивают в темный

цвет. Люди зимой носят темные одежды (черного, синего, коричного цвета) в них теплее, а летом светлые (бежевые, белые цвета). Грязный снег в солнечную погоду тает быстрее, чем чистый, потому что тела с темной поверхностью лучше поглощают солнечное излучение и быстрее нагреваются. Созданы материалы, с помощью которых можно превращать тепловое излучение в видимое. Их используют при изготовлении специальной фотопленки для съемки в абсолютной темноте и в приборах ночного видения — тепловизорах. (Слайд 13) 

    Электромагнитное поле всегда возникает при движении свободных электронов в проводнике, поэтому передача электрической энергии сопровождается интенсивным электромагнитным излучением (ЭМИ).

    К настоящему времени, по данным экологов и врачей-гигиенистов известно, что все диапазоны электромагнитного излучения оказывают влияние на здоровье и работоспособность людей и имеют определенные последствия [8]. Воздействие электромагнитных полей на человека в силу их большой распространенности более опасна, чем радиация. Особенно опасно действие электромагнитных излучений на детей, подростков, беременных женщин и лиц с ослабленным здоровьем [9].

  Наиболее быстро реагирующими на излучение являются ткани организма, которые подвержены интенсивному клеточному делению. Вследствие облучения такие ткани, как правило, либо мутируют, либо подвергаются интенсивному разрушению. В организме человека такие ткани — это, прежде всего гонады (половые железы), красный костный мозг, щитовидная железа, слизистые оболочки. А также такие клетки (ткани) имеются в мышцах, хрусталиках глаз и так далее [8,10].

  1.  Результаты измерений ЭМИ от бытовых приборов

            Название электроприбора                                    Уровень излучения

Расстояние от электроприбора, при котором ЭМИ в норме (м)

Электрическое          (норма 25В/м)

      Магнитное                 (норма 250 нТл)

Микроволновая печь               2992

                                                   13240                         2,5 м

Кухонная плита                        1540

(индукционная)                         10955                         1 м

Компьютер                                196

                                                    790                            0,7 м

Чайник                                       218

                                                    3643                          0,5м

6

Стиральная машина                 210

                                                    420                            1 м

Телевизор                                  37

                                                    967                            1,5 м

  1. Утюг                                           656
  2.                                                     2359                          0,5 м
  3. Вывод: на основании проделанных измерений видно, что у всех бытовых электроприборов при работе превышается норма ЭМИ, причем в рейтинге самых опасных является микроволновая печь, при этом безопасное расстояние от нее является целых 2,5 метра.

Меры предосторожности

  • включать электроприборы по очереди, а не все разом: мобильный телефон, компьютер, СВЧ-печь, телевизор должны работать в разное время,
  • не группировать электроприборы в одном месте, распределить их так, чтобы они не усиливали ЭМП друг друга,
  • не располагать эти приборы рядом с обеденным, рабочим столом, местами отдыха, сна

      Пожалуй, одним из самых распространенных электроприборов в повседневности является сотовый телефон. При работе сотовой связи ее основные компоненты – сотовый телефон и базовая станция – создают электромагнитное поле. И владелец сотового телефона, и человек, не имеющий его, но живущий вблизи объектов сотовой связи, находятся в этом электромагнитном поле. Во время работы, когда связь с абонентом установлена, мобильный телефон окружен довольно мощным электромагнитным полем. Оно проникает в тело человека и поглощается, прежде всего, тканями головы – кожным покровом, ухом, частью головного мозга, включая зрительный анализатор.

Сотовый телефон марки Soni

  1. Уровень излучения
  2. Расстояние от электроприбора, при котором ЭМИ в норме (м)
  3. Электрическое      (норма 25В/м)
  4.   Магнитное           (норма 250 нТл)
  5. Входящий вызов                                          1857
  6.                       7600                    0,7 м
  7. Исходящий вызов                                        2756
  8.                       9360                    0,8 м
  9. Телефонный разговор                                 1750
  10.                        6430                    0,7 м
  11. СМС сообщение                                           326
  12.                        877                      0,5 м

7

Вывод: Проанализировав результаты таблицы видно, что ЭМИ от сотового телефона превышает норму, причем значение исходящего вызова больше, чем входящего.  это связанно с поиском базовой станции во время исходящего вызова. Наименее опасным является СМС связь. ( Слайд 14,15).

  1. Применение рентгеновских лучей  (слайд 16)

Медицинская диагностика.
Досмотр багажа и грузов.
Дефектоскопия изделий и материалов.
Рентгеноспектральный анализ.
Рентгеноструктурный анализ.

Рентгеновская микроскопия.
Рентгеновская астрономия.
Рентгеновские лазеры.

  1.  Конвекция

   Конвекция (от лат. Convectiō — «перенесение») — вид теплообмена (теплопередачи), при котором внутренняя энергия передается струями и потоками. Существует так называемая естественная конвекция, которая возникает в веществе самопроизвольно при его неравномерном нагревании в поле тяготения. При такой конвекции нижние слои вещества нагреваются, молекулы в нижней части набирают энергию и начинают двигаться быстрее, что приводит к уменьшению плотности, становятся легче и всплывают, а верхние слои, наоборот, остывают, становятся тяжелее и опускаются вниз,(более плотная жидкость) начинает тонуть, после чего процесс повторяется снова и снова.   Цикл продолжается до тех пор, пока существует источник тепла в нижней части.

    Естественной конвекции обязаны многие атмосферные явления, в том числе, образование облаков. Благодаря тому же явлению движутся тектонические плиты. Конвекция ответственна за появление гранул на  Солнце. 

  При вынужденной (принудительной) конвекции перемещение вещества обусловлено действием внешних сил (насос, лопасти вентилятора и т. п.). Она применяется, когда естественная конвекция является недостаточно эффективной.

    Конвекцией также называют перенос теплоты, массы или электрических зарядов движущейся средой.     (Слайд 17).

    Движение молекул в противоположных направлениях под воздействием нагревания – это именно то, на чем основывается конвекция. Конвекция невозможна при нагревании твердых тел. Всему виной достаточно сильное взаимное притяжение при колебании их твердых частиц. В результате нагрева тел твердой структуры не возникают конвекция, излучение. Теплопроводность заменяет указанные явления в таких телах и способствует передаче тепловой энергии.  Яркие примеры конвекции – перемещение теплого воздуха в середине помещения с отопительными приборами, когда нагретые потоки движутся под потолок, а холодный воздух опускается к самой поверхности пола. Именно поэтому при включенном отоплении вверху комнаты воздух заметно теплее по сравнению с нижней частью помещения. (слайд 18).

   Наиболее простым и доступным для понимания примером конвекции может послужить процесс работы обыкновенного холодильника. Циркуляция охлажденного газа фреона по трубам холодильной камеры приводит к снижению температуры верхних пластов воздуха.

8

Соответственно, замещаясь более теплыми потоками, холодные опускаются вниз, охлаждая, таким образом, продукты. Расположенная на тыльной панели холодильника решетка играет роль элемента, способствующего отводу теплого воздуха, образованного в компрессоре агрегата во время сжатия газа.

  Охлаждение решетки также основывается на конвективных механизмах. Именно по этой причине не рекомендуется загромождать пространство позади холодильника. Ведь только в таком случае охлаждение может происходить без затруднений. (Слайд 19).

   Другие примеры конвекции можно заметить, наблюдая за таким природным явлением, как движение ветра. Нагреваясь над засушливыми континентами и охлаждаясь над местностью с более суровыми условиями, потоки воздуха начинают вытеснять друг друга, что приводит к их движению, а также перемещению влаги и энергии. На конвекции завязана возможность парения птиц и планеров. Менее плотные и более теплые воздушные массы при неравномерном нагревании у поверхности Земли приводят к образованию восходящих

 потоков, что способствует процессу парения. Для преодоления максимальных расстояний без затраты сил и энергии птицам требуется умение находить подобные потоки. Хорошие примеры конвекции – образование дыма в дымоходах и вулканических кратерах. Перемещение дыма вверх основано на его более высокой температуре и низкой плотности по сравнению с окружающей средой. При остывании дым постепенно оседает в нижние слои атмосферы. Именно по этой причине промышленные трубы, посредством которых происходит выброс вредных веществ в атмосферу, делают максимально высокими.

   Среди наиболее простых, доступных для понимания примеров, которые можно наблюдать в природе, быту и технике, следует выделить:

  1. движение воздушных потоков во время работы бытовых батарей отопления;
  2.  образование и движение облаков;
  3. процесс движения ветра, муссонов и бризов;
  4. смещение тектонических земных плит;
  5. процессы, которые приводят к свободному газообразованию. (Сдайд 20)

  Приготовление пищи. Все чаще явление конвекции реализуется в современных бытовых приборах, в частности в духовых шкафах. Газовый шкаф с конвекцией позволяет готовить разные блюда одновременно на отдельных уровнях при различной температуре. При этом полностью исключается смешение вкусов и запахов. Нагрев воздуха в традиционном духовом шкафу основывается на работе единственной горелки, что приводит к неравномерному распределению тепла. За счет целенаправленного перемещения горячих потоков воздуха при помощи специализированного вентилятора блюда в конвекционном духовом шкафу получаются более сочными, лучше пропекаются. Такие устройства быстрее нагреваются, что позволяет уменьшить время, требуемое на приготовление пищи. Естественно, для хозяек, которые готовят в духовом шкафу всего лишь несколько раз в год, бытовой прибор с функцией конвекции нельзя назвать техникой первой необходимости. Однако для тех, кто не может жить без кулинарных экспериментов, такое устройство станет просто незаменимым на кухне. (Слайд 21).

  1.6  Все виды теплопередачи одновременно

  

   В нашей жизни все способы теплопередачи работают одновременно. Редко бывает, когда эти способы действуют отдельно. Типичный пример — термос. Теплопередача от более нагретого тела к более холодному приводит к выравниванию их температур. Поэтому, например, горячий чайник, снятый с плиты, при соприкосновении с окружающим

9

воздухом через некоторое время остывает. Чтобы помешать телу остывать (или нагреваться), нужно предотвратить возможный теплообмен, причем во всех его трех проявлениях (при конвекции, теплопроводности и излучении). Это достигается путем помещения тела в специальный сосуд — сосуд Дьюара, который был изобретен в 1892 г. английским ученым Джеймсом Дьюаром. Сосуды Дьюара вначале применялись лишь для хранения легкоиспаряющихся сжиженных газов (например, жидкого гелия). Впоследствии их стали применять и в бытовых целях — для сохранения при неизменной температуре помещаемых в них пищевых продуктов. Такие сосуды Дьюара стали называть термосами. Термоса, предназначенный для хранения жидкостей, состоит из стеклянного сосуда с двойными стенками. Внутренняя поверхность этих стенок покрыта блестящим металлическим слоем, а из пространства между стенками выкачан воздух. Чтобы защитить стеклянный корпус термоса от повреждений, его помещают в картонный или металлический футляр. Сосуд закупоривают пробкой, а сверху футляра навинчивают колпачок. Термос устроен таким образом, что теплообмен его содержимого с окружающей средой сведен до минимума. Отсутствие воздуха между его стенками препятствует переносу энергии путем конвекции и теплопроводности, а блестящий слой на внутренней поверхности термоса препятствует передаче энергии излучением. 

(Слайд 22)

   Это можно доказать, нагревая воду в кастрюле. Сначала от горелки нагревается кастрюля (теплопроводность), затем начинает нагреваться вода (теплопроводность и конвекция). Тепло от кастрюли и воды передается по всем направлениям (излучение). (Слайд 23).

10

2.ЗАКЛЮЧЕНИЕ

  2.1 В самом начале нашего проекта мы поставили перед собой цель — всесторонне изучить информацию по видам теплопередачи, использованию излучения, теплопроводности и конвекции в быту и технике, выявить влияние теплопередачи на организм человека. В связи с этим было выдвинуто три гипотезы:

  1.  явление теплопередачи не имеет применения в быту и технике;
  1. возможно, что виды теплопередачи имеют широкое применение в нашей жизни.
  2. теплопередача влияет на организм человека и может быть смертельно опасна.

  2.2 Наша работа в рамках проекта позволяет сделать вывод о том что  явление теплопередачи имеет широкое применения в быту и технике.

    Так явления теплопроводности широко используется в строительстве. Пористые вещества (пенопласт, минеральная вата, паралон и т.д.) – хорошая теплоизоляция, т.к. воздух обладает плохой теплопроводностью. Тонкий слой воздуха между оконными стеклами предохраняет наше жилище от холода так хорошо, как и кирпичная стена.  Ручки чайников, сковородок и т.д. из пластмассы, т.к. она плохо нагревается; корпус посуды из металла – он лучше проводит тепло и еда наоборот быстрее нагревается. Люди зимой носят шубы.

   Способность тел по-разному поглощать энергию излучения используется человеком. Например: — воздушные шары и крылья самолетов красят серебристой краской, чтобы они не нагревались солнцем. — если же нужно использовать солнечную энергию для нагревания некоторых приборов на искусственных спутниках Земли, то эти части окрашивают в темный цвет. Люди зимой носят темные одежды (черного, синего, коричного цвета) в них теплее, а летом светлые (бежевые, белые цвета).  Созданы материалы, с помощью которых можно превращать тепловое излучение в видимое. Их используют при изготовлении специальной фотопленки для съемки в абсолютной темноте и в приборах ночного видения — тепловизорах.  

    Наиболее простым и доступным для понимания примером конвекции может послужить процесс работы обыкновенного холодильника. Все чаще явление конвекции реализуется в современных бытовых приборах, в частности в духовых шкафах.

       В нашей жизни все способы теплопередачи работают одновременно. Редко бывает, когда эти способы действуют отдельно. Типичный пример — термос. Это, так-же, можно доказать, нагревая воду в кастрюле. Сначала от горелки нагревается кастрюля (теплопроводность), затем начинает нагреваться вода (теплопроводность и конвекция). Тепло от кастрюли и воды передается по всем направлениям (излучение).

     2.3 В процессе нашего исследования мы выяснили что излучение является самым опасным видом теплопередачи для организма человека. Все диапазоны электромагнитного излучения оказывают влияние на здоровье и работоспособность людей и имеют определенные последствия. Воздействие электромагнитных полей на человека в силу их большой распространенности более опасна, чем радиация. Особенно опасно действие электромагнитных излучений на детей, подростков, беременных женщин и лиц с ослабленным здоровьем. У всех бытовых электроприборов при работе превышается норма ЭМИ, причем в рейтинге самых опасных является микроволновая печь, при этом безопасное расстояние от нее является целых 2,5 метра. ЭМИ от сотового телефона превышает норму, причем значение исходящего вызова больше, чем входящего.  это связанно с поиском базовой станции во время исходящего вызова. Наименее опасным является СМС связь.

11

Меры предосторожности

 1) включать электроприборы по очереди, а не все разом: мобильный телефон, компьютер, СВЧ-печь, телевизор должны работать в разное время.

 2) не группировать электроприборы в одном месте, распределить их так, чтобы они не усиливали ЭМП друг друга.

 3) не располагать эти приборы рядом с обеденным, рабочим столом, местами отдыха, сна. (Слайд 24)

  2.4 Практическая значимость исследования состоит в том, что оно может быть использовано школьниками для повышения образовательного уровня, учителем физики для объяснения тем «Виды теплопередачи. Теплопроводность. Конвекция. Излучение» и проведения занимательного урока охраны здоровья.

    Таким образом, мы считаем, что поставленная нами цель достигнута, задачи решены.

  2.5 За время работы над проектом, нами была изучена лишь небольшая часть практического применения теплопередачи в быту и технике. В дальнейшем, мы продолжим наши исследования в этом направлении при более детальном изучении в старших классах электромагнитных волн.

12

3.  ИНФОРМАЦИОННЫЕ РЕСУРСЫ

 

1. Горев Л.А. Занимательные опыты по физике. – М.: Издательство «Просвещение», 1977.

2. http://уроки.мирфизики.рф

3. https://infourok.ru/

4. https://fb.ru/

5. https://fb.ru/article/303040/primeryi-teploperedachi-v-prirode-v-byitu

6. http://class-fizika.ru/u8-5.html

7. http://900igr.net/prezentacija/fizika/shkala-elektromagnitnykh-voln-196339/vidy-izluchenija-2.html

8. Влияние электромагнитного излучения на живые организмы [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://doza.net.ua/pages/ru_ref_emf.htm.

9. Воздействие электромагнитного излучения электроприборов на человека [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://malahit-irk.ru/index.php/2011-01-13-09-04-43/119-2011-05-06-12-21-20.html.

10. Общие показатели самочувствия и возникающие симптомы при воздействии ЭМП [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.libma.ru/zdorove/mobilnik_ubiica/p3.php#metkadoc12.

11. http://yandex.ru/clck/jsredir?from=yandex.ru

12. https://ru.wikipedia.org/wiki

13.https://fb.ru/article/177287/yavlenie-konvektsii-i-primeryi-konvektsii 

14.http://obuchonok.ru/znachimost» target=»_blank»>Практическая значимость работы 

13

Необычная теплоотдача • Игорь Иванов • Научно-популярные задачи на «Элементах» • Физика

Горячее тело может отдавать тепло своему окружению за счет разных видов теплопередачи. Если его обдувает воздух или омывает жидкость, теплоотдача идет в основном благодаря конвекции, а если в механическом контакте с ним находится твердое тело, то за счет теплопроводности. Но когда тело полностью изолировано вакуумным зазором от контакта с другими веществами, эти явления не работают, и тогда у тела остается только один способ отдавать тепло — через тепловое излучение.

Рассмотрим простой пример этого процесса (рис. 1). Две очень большие параллельные друг другу пластины находятся при разных температурах. Они разделены вакуумным зазором шириной d. Каждая из этих пластин испускает во все стороны тепловое излучение, но только поток тепла от горячей пластины больше, чем от холодной, в результате чего горячая пластина с течением времени отдает свое тепло холодной.

Мощность теплового потока для идеально черного тела выражается известным даже по школьному курсу законом Стефана–Больцмана (для реальных тел этот закон лишь дополняется численным коэффициентом черноты вещества). Его точный вид нам в этой задаче не потребуется; главное — обратить внимание на то, что мощность теплообмена между двумя пластинами не зависит от ширины зазора d (при условии, конечно, что расстояние между ними намного меньше их размера).

А теперь — необычный момент: оказывается, это выполняется не всегда. Если расстояние между пластинами меньше некоторой величины, теплообмен излучением начинает зависеть от d, и при том очень существенно. Подчеркнем, что две пластины по-прежнему разделены вакуумом и не касаются друг друга.


Подсказка 1

Просто глядя на закон Стефана–Больцмана или читая про него в общих чертах, эту задачу решить не получится. Для этого нужно понять физическую суть теплового излучения: за счет чего оно вообще возникает на микроскопическом уровне?


Подсказка 2

Интуитивно мы обычно связываем тепло с движением молекул. Скажем, при визуализации теплопроводности (неметаллических тел) мы представляем, как более быстрые молекулы в одной части материала начинают сильнее расталкивать более медленные.

Тепловое излучение уже не является атомным движением — это один из видов электромагнитного излучения. На шкале электромагнитных волн оно относится (для обычных температур) к среднему инфракрасному диапазону. Поэтому процесс испускания теплового излучения в своей физической основе похож на излучение радиоволн и микроволнового излучения; нужно только подумать, что именно в нагретом веществе испускает эти волны.

Дальше надо попробовать использовать эту аналогию, опираясь на общие понятия в радиотехнике или вспоминая бытовые приборы, принцип работы которых имеет кое-какое сходство с этим явлением.


Решение

Электромагнитные (ЭМ) волны излучаются движущимися зарядами. Для волн высоких частот, например в оптическом диапазоне, энергия отдельных фотонов достаточно велика, сравнима с энергиями возбужденных электронных уровней в атомах и молекулах. Такие фотоны обычно испускаются в электронных переходах отдельных атомов.

Источники менее энергетических фотонов уже не связаны с отдельными атомами, а, скорее, представляют собой микроскопические токи, которые возникают внутри нагретого вещества за счет флуктуаций зарядов. Эти токи не упорядочены, они постоянно и беспорядочно дергаются туда-сюда. Этим они отличаются от радио- или микроволновых устройств, которые испускают волны за счет скоординированного движения зарядов, как, например, это происходит в обычных антеннах. Таким образом, тепловое излучение — это тоже электромагнитный процесс, но только происходящий за счет хаотично флуктуирующих токов.

Теперь важный момент, касающийся электромагнитного поля. Движущиеся заряды создают в пространстве вокруг себя меняющиеся во времени электрическое и магнитное поля. Однако лишь небольшая доля этого переменного ЭМ-поля умудряется «оторваться» от источника и улететь прочь в виде настоящей ЭМ-волны. Намного большая часть поля — она называется «ближним полем» — продолжает «трястись» поблизости от зарядов (рис. 2). Ближнее поле существует в пространстве, оно обладает очень существенной энергией, просто оно быстро ослабевает с расстоянием и не улетает на макроскопические расстояния. Поэтому-то его не включают в понятие электромагнитного излучения.

У переменного ЭМ-поля есть некий типичный размер пространственных изменений. Он определяет как длину волны улетающего вдаль ЭМ-излучения, так и то расстояние, начиная с которого ближнее поле начинает резко ослабляться. Поэтому по порядку величины можно считать, что для источника волн с длиной волны λ то расстояние, ближе которого ближнее поле начинает расти, тоже порядка λ.

Возможна даже такая ситуация, когда вообще никакая часть переменного ЭМ-поля не уходит в излучение. Этот эффект широко используется в быту, например в устройствах бесконтактной зарядки электроники и в индукционных электроплитках. Он в чём-то напоминает нашу задачу: кастрюля практически не будет чувствовать ЭМ-поле работающей индукционной плитки, пока ее не поставили прямо на поверхность.

Итак, как выглядит влияние ближнего поля в нашей задаче?

  • Микроскопические токи, возникающие за счет тепловых флуктуаций внутри нагретого тела, являются источниками сильно переменного ЭМ-поля снаружи тела.
  • Вблизи поверхности, на удалении порядка λ от нее, это поле содержит не только будущее тепловое излучение, но и довольно мощное ближнее поле. На значительно больших расстояниях от тела от ближнего поля практически ничего не остается, и ЭМ-поле целиком предстает в виде теплового излучения, испущенного телом.
  • Если две пластины разделены зазором много больше λ, передача тепла идет только за счет этого теплового излучения. Если же пластины сдвинуты до λ и меньше, то горячая пластина посредством своего мощного ближнего поля передает тепловую энергию холодной. Интуитивно понятно, что чем ближе сдвинуты пластины, тем большая часть ближнего поля начинает принимать участие в этой теплопередаче. Поэтому при сдвигании пластин ближе λ теплопередача должна непрерывно расти.
  • Длина ЭМ-излучения нагретых тел при температуре порядка комнатной равна примерно 6–8 мкм. Поэтому описанный эффект начнет проявляться при сближении на десятки микрон, а при зазоре в 1 микрон и меньше он полностью изменит теплопередачу по сравнению с законом Стефана–Больцмана.

В заключение можно добавить еще такой взгляд на вещи. Ближнее поле тоже можно представить в виде ЭМ-волны, но только это волна, бегающая вдоль поверхности и затухающая при удалении от нее. Такие волны хорошо известны в оптике и радиотехнике и называются «эванесцентными». Например, при явлении полного внутреннего отражения световой луч, падающий изнутри стекла на границу его раздела с воздухом, полностью отражается обратно в стекло и не выходит наружу. Однако в процессе отражения он всё же чуть-чуть «вылезает» за пределы стекла в виде эванесцентной волны, но тут же вынужден вернуться обратно. Поэтому если к границе раздела на доли микрона поднести другое стекло, то луч частично будет в него переходить: два стекла входят в оптический контакт даже без механического соприкосновения. Такой «перескок» светового луча через область, где он нормально распространяться не может, называется туннельным эффектом. Он очень похож на явление туннелирования в квантовой механике, только в этом случае (так же, как и в нашей задаче) туннелируют фотоны.


Послесловие

У описанного эффекта и его аналогов есть длинная и интересная история, которая продолжается и по сей день. Первая теория теплопередачи ближним полем была построена в 1971 году на основе более ранних разработок советского радиофизика С. М. Рытова, и в дальнейшем она неоднократно уточнялась и расширялась. На рис. 3 показано, что сегодняшняя теория предсказывает для этого явления.

Экспериментально этот эффект был впервые надежно продемонстрирован еще в 1969 году, но до недавнего времени данные оставались на удивление неполными. Аккуратное систематическое измерение эффекта было опубликовано лишь в 2011 году; на рис. 4 приведены некоторые результаты этого эксперимента.

Не так давно физики смогли измерить этот эффект и на очень маленьких расстояниях вплоть до нанометровых масштабов (правда, уже не между двумя плоскими поверхностями, а между острием туннельного микроскопа и подложкой). На расстояниях меньше 10 нм полученные результаты начинали заметно расходиться с теоретическими предсказаниями (см. нашу новость Структура электромагнитных полей в веществе оказалась сложнее, чем считалось ранее за 2005 год).

Взаимодействие двух тел через тепловое ближнее поле имеет, среди прочего, и большое практическое значение для задач микро- и нанотехнологии. Манипулируя строением наноструктурных материалов и их электронными свойствами, можно дополнительно усиливать бесконтактную теплопередачу, что позволит, например, добиться исключительно эффективного охлаждения нагревающихся нанодеталей сложных систем. Кроме того, между близко расположенными телами возможно даже бесконтактное трение — немного необычное явление, на первый взгляд, но довольно естественное следствие электромагнитного «сцепления» двух нагретых тел за счет ближнего поля. Полностью удовлетворительная теория этого эффекта пока еще не построена. Желающим познакомиться поближе с этой областью можно порекомендовать подробный обзор А. И. Волокитина и Б. Перссона, опубликованный в УФН в 2007 году.

12

Показать комментарии (12)

Свернуть комментарии (12)


  • Валя Гриневич
     12. 07.2013  10:11

    Ответить

    У меня тоже вопрос по ЭМ-волне. Существует теория, что эффекты, которые приписывают магнитному полю, можно описать динамическим электрическим полем. В добавок до сих пор не обнаружены магнитные диполи. Получается, что, возможно, магнитное поле не существует. В свете этого назревают ли какие-нибудь изменения в описании «ближнего поля» и «электромагнитной волны»? Не превратится волна в «электродинамическую»?

    Ответить

    • spark
      Валя Гриневич 12.07.2013  12:59

      Ответить

      Зависящие от времени электрические поля порождают магнитные. Уравнения Максвелла выражают их взаимосвязь. Формулировать ЭМ явления в терминах только электрического поля, без магнитного, нереально. В терминах 4-потенциалов A_mu — пожалуйста, в терминах одного только электрического поля — нет. Вы либо неправильно поняли, что прочитали, либо вам пытались впихнуть лженаучную теорию.

      Магнитные диполи сузществуют, разумеется. Земля, например. Или нейтрон. Если вам нужен элементарный магнитный диполь, то например электрон. Не существует (по крайней мере, не открыти и не требуется для теории) магнитных монополей, это да. Но это просто следствие неполной эквивалентности магнитноои электрического полей, это не баг, а фича уравнений Максвелла 🙂

      Ответить

    • taras
      Валя Гриневич 07.10.2017  15:58

      Ответить

      Вообще то магнитные диполи давно известны. И теория давно признана.

      Ответить

  • Geen
     12.07.2013  12:41

    Ответить

    Возможно ли описание этого явления через туннелирование фононов?

    Ответить

  • samara
     14. 07.2013  02:23

    Ответить

    Замечательная задачка, спасибо.

    Ответить

  • Написать комментарий

    Тепло – физика для авиации

    Тепло – это форма энергии. Он производится только путем преобразования одной из других форм энергии. Тепло также можно определить как полную кинетическую энергию молекул любого вещества.

    Ниже приведены некоторые формы энергии, которые могут быть преобразованы в тепловую энергию:

    • Механическая энергия — включает все методы увеличения движения молекул, такие как трение, удары тел или сжатие газов.
    • Электрическая энергия — электрическая энергия преобразуется в тепловую, когда электрический ток протекает через любое сопротивление, такое как электрический утюг, электрический свет или электрическое одеяло.
    • Химическая энергия — большинство форм химической реакции преобразуют накопленную потенциальную энергию в тепло. Некоторыми примерами являются взрывные эффекты пороха, горение масла или дерева, а также соединение кислорода и жира.
    • Лучистая энергия — электромагнитные волны определенных частот производят тепло, когда они поглощаются телами, с которыми сталкиваются, такими как рентгеновские лучи, световые лучи и инфракрасные лучи.
    • Ядерная энергия — энергия, запасенная в ядрах атомов, высвобождается в процессе деления ядер в ядерном реакторе или атомного взрыва.
    • Солнце — всю тепловую энергию можно прямо или косвенно отнести к ядерным реакциям, происходящим на солнце.

    При сжатии газа совершается работа, и газ становится теплым или горячим. И наоборот, когда газ под высоким давлением расширяется, расширяющийся газ становится холодным. В первом случае работа превращалась в энергию в виде теплоты; во втором случае затрачивалась тепловая энергия. Поскольку теплота выделяется или поглощается, должна существовать связь между тепловой энергией и работой. Кроме того, когда две поверхности трутся друг о друга, при трении выделяется тепло. Однако для того, чтобы вызвать тепло, требовалась работа, и эксперименты показали, что требуемая работа и количество тепла, выделяемого трением, пропорциональны. Таким образом, теплоту можно рассматривать как форму энергии.

    Согласно этой теории тепла как формы энергии, молекулы, атомы и электроны во всех телах находятся в постоянном движении. В горячем теле эти мелкие частицы обладают относительно большой кинетической энергией, а в более холодных телах она меньше. Поскольку малым частицам придается движение и, следовательно, кинетическая энергия, необходимо совершить работу, чтобы скользить одно тело по другому. Механическая энергия, по-видимому, трансформируется, и то, что мы знаем как тепло, на самом деле является кинетической энергией малых молекулярных подразделений материи.

    Единицы измерения тепловой энергии

    Для выражения количества тепловой энергии используются две различные единицы измерения. Это калорийность и БТЕ. Одна калория равна количеству тепла, необходимому для изменения температуры 1 грамма воды на 1 градус Цельсия.

    Этот термин «калория» (пишется с маленькой буквы «с») составляет 1/1000 калорий (пишется с большой буквы «С»), используемого при измерении тепловой энергии в пищевых продуктах. Одна БТЕ определяется как количество тепла, необходимое для изменения температуры 1 фунта воды на 1 градус по Фаренгейту (1 °F). Калория и грамм редко используются при обсуждении технического обслуживания авиации. Однако BTU обычно упоминается при обсуждении теплового КПД двигателя и теплосодержания авиационного топлива.

    Устройство, известное как калориметр, используется для измерения количества тепловой энергии. В приложении его можно использовать для определения количества тепловой энергии, доступной в 1 фунте авиационного бензина. В калориметре сжигается заданный вес топлива, а тепловая энергия поглощается большим количеством воды. По весу воды и повышению ее температуры можно вычислить теплоотдачу топлива. Между теплотой и механической энергией существует определенная связь. Эта взаимосвязь была установлена ​​и проверена многими экспериментами, которые показывают, что:

    Один БТЕ тепловой энергии = 778 футо-фунтов работы

    Как обсуждалось ранее в сообщении об энергетике в разделе «Потенциальная энергия», один фунт авиационного бензина содержит 18 900 БТЕ тепловой энергии. Поскольку каждая БТЕ способна работать с 778 футо-фунтами, 1 фунт авиационного бензина способен работать с 14 704 200 футо-фунтов.

    Тепловая энергия и тепловая эффективность

    Тепловая эффективность представляет собой соотношение между потенциалом мощности, содержащейся в конкретном источнике тепла, и тем, сколько полезной энергии создается при использовании этого источника тепла. Формула для расчета теплового КПД:

    Тепловой КПД = Произведенная мощность в лошадиных силах ÷ Потенциальная мощность в топливе в лошадиных силах

    Например, рассмотрим поршневой двигатель, используемый в небольшом самолете авиации общего назначения, который обычно потребляет 0,5 фунта топлива в час на каждую мощность, которую он создает. Представьте, что двигатель развивает мощность 200 л.с. Если мы умножим 0,5 на 200 лошадиных сил, мы обнаружим, что двигатель потребляет 100 фунтов топлива в час или 1,67 фунта в минуту. Ранее на этом сайте было установлено, что одна лошадиная сила составляет 33 000 футо-фунтов работы в минуту.

    Потенциальная мощность лошадиных сил в топливе, сжигаемом для этого примера двигателя, будет:

    л.с. = 1,67 фунта/минута × 18 900 БТ/фунт × 778 футов.

    Двигатель в примере сжигает достаточно топлива, чтобы создать 744 л.с., но вырабатывает только 200. Тепловой КПД двигателя будет следующим:
                                               = .2688 или 26,88%

    Более 70 процентов энергии топлива не используется для создания полезной мощности. Теряемая впустую энергия находится в форме трения и тепла. Огромное количество тепла отдается в атмосферу и не используется внутри двигателя для создания мощности.

    Теплопередача

    Существует три метода передачи тепла из одного места в другое или от одного вещества к другому. Этими тремя методами являются теплопроводность, конвекция и излучение.

    Теплопроводность

    Теплопередача всегда происходит путем перемещения областей с высокой тепловой энергией в области с низкой тепловой энергией. Передача тепла путем теплопроводности требует физического контакта между объектом, имеющим большое количество тепловой энергии, и объектом, имеющим меньшее количество тепловой энергии.

    Все по опыту знают, что о металлическую ручку раскаленной сковороды можно обжечь руку. Однако пластиковая или деревянная ручка остается относительно прохладной, даже если она находится в непосредственном контакте со сковородой. Металл легче передает тепло, чем дерево, потому что он лучше проводит тепло. Разные материалы проводят тепло с разной скоростью. Некоторые металлы гораздо лучше проводят тепло, чем другие. Алюминий и медь используются в кастрюлях и сковородках, потому что они очень быстро проводят тепло. Для ручек используются дерево и пластик, потому что они очень медленно проводят тепло.

    На рис. 1 показаны различные скорости проводимости различных металлов. Из перечисленных серебро является лучшим проводником, а свинец — самым плохим. Как упоминалось ранее, медь и алюминий используются в кастрюлях и сковородках, потому что они являются хорошими проводниками. Интересно отметить, что серебро, медь и алюминий также являются отличными проводниками электричества.

    Рис. 1. Проводимость различных металлов

    Жидкости хуже проводят тепло, чем металлы. Обратите внимание, что лед в пробирке, показанной на рис. 2, не тает быстро, хотя вода наверху кипит. Вода так плохо проводит тепло, что льду не хватает тепла, чтобы растопить его.

    Рис. 2. Вода как плохой проводник

    Газы еще хуже проводят тепло, чем жидкости. Можно стоять довольно близко к печке и не обжечься, потому что воздух плохой проводник. Поскольку проводимость — это процесс, при котором увеличение молекулярной энергии передается при непосредственном контакте, газы являются плохими проводниками.

    В точке приложения источника тепла молекулы сильно взбалтываются. Эти молекулы ударяются о соседние молекулы, вызывая их возбуждение. Этот процесс продолжается до тех пор, пока тепловая энергия не распределится равномерно по всему веществу. Газы гораздо хуже проводят тепло, потому что в газах молекулы находятся дальше друг от друга, чем в твердых телах.

    Материалы с плохой проводимостью используются для предотвращения передачи тепла и называются теплоизоляторами. Деревянная ручка от кастрюли или паяльника служит теплоизолятором. Некоторые материалы, например стекловолокно или асбест, являются особенно плохими проводниками тепла. Эти материалы поэтому используются для многих типов изоляции.

    Конвекция

    Конвекция – это процесс, посредством которого тепло передается движением нагретой жидкости (газа или жидкости). Например, лампа накаливания при нагревании будет нагреваться до тех пор, пока окружающий ее воздух не начнет двигаться. Движение воздуха восходящее. Это восходящее движение нагретого воздуха уносит тепло от горячей лампочки за счет конвекции. Перенос тепла за счет конвекции можно ускорить, используя вентилятор для перемещения воздуха, окружающего горячий объект. Скорость охлаждения горячего электронного компонента, такого как центральный процессор компьютера, можно увеличить, если он снабжен медными ребрами, отводящими тепло от горячей поверхности. Ребра обеспечивают большие поверхности, на которые может обдуваться холодный воздух.

    Процесс конвекции может происходить как в жидкости, так и в газе. Хорошим примером этого является кастрюля с водой, стоящая на плите. Дно кастрюли нагревается, потому что оно отводит тепло от поверхности, с которой соприкасается. Вода на дне кастрюли также нагревается из-за теплопроводности. Когда нагретая вода начинает подниматься вверх, а ее место занимает более холодная вода, начинается процесс конвекции.

    Когда скорость циркуляции газа или жидкости недостаточна для отвода достаточного количества тепла, для ускорения движения охлаждающего материала используются вентиляторы или насосы. В некоторых установках насосы используются для циркуляции воды или масла для охлаждения крупного оборудования. В воздушных установках для облегчения конвекции используются электрические вентиляторы и воздуходувки.

    Хорошим примером использования конвекции для передачи тепла является поршневой двигатель с воздушным охлаждением. Двигатель, показанный на рис. 3, представляет собой Continental IO-520 с шестью сильно ребристыми цилиндрами воздушного охлаждения. Этот двигатель не зависит от естественной конвекции для охлаждения, а скорее от принудительной конвекции воздуха, поступающего от винта на двигатель. Тепло, выделяемое внутри двигателя, направляется к ребрам охлаждения цилиндра за счет теплопроводности, то есть передачи внутри металла цилиндра. Как только тепло достигает ребер, принудительный поток воздуха, обтекающий цилиндры, уносит тепло.

    Рис. 3. Поршневой двигатель самолета с конвекционным охлаждением Например, тепло, которое человек ощущает, сидя перед открытым огнем, не может передаваться конвекцией, потому что потоки воздуха движутся к огню. Он не может передаваться посредством теплопроводности, потому что проводимость воздуха очень мала, и более холодные потоки воздуха, движущиеся к огню, более чем преодолеют передачу тепла наружу. Следовательно, должен существовать какой-то другой способ перемещения тепла в пространстве, кроме теплопроводности и конвекции.

    Существование другого процесса теплопередачи становится еще более очевидным, когда рассматривается тепло от солнца. Поскольку теплопроводность и конвекция происходят только через какую-либо среду, такую ​​как газ или жидкость, солнечное тепло должно достигать земли другим путем, поскольку космос представляет собой почти идеальный вакуум. Излучение — это название, данное этому третьему способу передачи тепла.

    Термин «излучение» относится к постоянному излучению энергии с поверхности всех тел. Эта энергия известна как «лучистая энергия». Это в форме электромагнитных волн, радиоволн или рентгеновских лучей, которые все похожи, за исключением разницы в длине волны. Эти волны распространяются со скоростью света и передаются через вакуум легче, чем через воздух, потому что воздух поглощает некоторые из них. Большинство форм энергии можно проследить до энергии солнечного света. Солнечный свет — это форма лучистой тепловой энергии, которая проходит через пространство и достигает земли. Эти электромагнитные тепловые волны поглощаются при контакте с непрозрачными телами. В результате движение молекул в теле увеличивается, о чем свидетельствует повышение температуры тела.

    Теперь можно рассмотреть различия между теплопроводностью, конвекцией и излучением. Во-первых, хотя проводимость и конвекция чрезвычайно медленны, излучение происходит со скоростью света. Этот факт очевиден во время солнечного затмения, когда прекращение солнечного тепла происходит одновременно с прекращением света. Во-вторых, лучистое тепло может проходить через среду, не нагревая ее. При применении воздух внутри теплицы может быть намного теплее, чем стекло, через которое проходят солнечные лучи. В-третьих, хотя передача тепла путем теплопроводности или конвекции может осуществляться окольными путями, лучистое тепло всегда распространяется по прямой линии. Например, радиацию можно отсекать с помощью экрана, помещенного между источником тепла и защищаемым телом.

    Удельная теплоемкость

    Одним из важных отличий веществ является потребность в различном количестве тепла для получения одинакового изменения температуры в данной массе вещества. Каждому веществу требуется определенное количество теплоты, называемое его удельной теплоемкостью, чтобы повысить температуру единицы его массы на 1 °С. Удельная теплоемкость вещества – это отношение его удельной теплоемкости к удельной теплоемкости воды. Удельная теплоемкость выражается числом, которое, будучи отношением, не имеет единиц измерения и применяется как в английской, так и в метрической системах.

    К счастью, вода обладает высокой удельной теплоемкостью. Более крупные водоемы на Земле поддерживают постоянную температуру воздуха и твердого вещества на поверхности земли или вблизи нее. Для изменения температуры большого озера или реки требуется большое количество тепла. Поэтому, когда температура падает ниже температуры таких водоемов, они выделяют большое количество тепла. Этот процесс предотвращает быстрое изменение температуры атмосферы на поверхности земли.

    Удельная теплотворная способность некоторых распространенных материалов представлена ​​на рисунке 4.

    физические свойства жидкостей. Это вызывает особое беспокойство при расчете изменений состояния газов.

    Широко используются три температурные шкалы: шкала Цельсия, шкала Фаренгейта и абсолютная шкала или шкала Кельвина. Шкала Цельсия построена с использованием точек замерзания и кипения воды при стандартных условиях в качестве фиксированных точек нуля и 100 соответственно со 100 равными делениями между ними. Шкала Фаренгейта использует 32° в качестве точки замерзания воды и 212° в качестве точки кипения и имеет 180 равных делений между ними. Абсолютная шкала или шкала Кельвина построена с нулевой точкой, установленной как минус 273 ° C, что означает 273 ° ниже точки замерзания воды. Взаимоотношения других фиксированных точек весов показаны на рис. 5.9.0004

    Рисунок 5. Сравнение температурных шкал

    При работе с температурами всегда проверяйте, какая система измерения используется, и знайте, как преобразовать одну систему измерения в другую. Формулы преобразования следующие:

    градусов по Фаренгейту = (1,8 × градусы Цельсия) + 32
    градуса Цельсия = (градусы Фаренгейта – 32) × 5 ⁄9
    градуса Кельвина = градусы Цельсия + 273
    градуса по Фаренгейту = градусы Ранкина. + 460

    В расчетах шкала Ренкина обычно используется для перевода градусов Фаренгейта в абсолютные значения. Для показаний по Фаренгейту выше нуля добавляется 460°. Таким образом, 72 °F равняется 460° плюс 72° или 532° абсолютных значений. Если показание Фаренгейта ниже нуля, оно вычитается из 460°. Таким образом, -40 ° F равно 460 ° минус 40 ° или 420 ° абсолютных значений. Следует подчеркнуть, что шкала Ренкина не дает абсолютных отсчетов температуры по шкале Кельвина, но эти пересчеты могут быть использованы для расчетов изменения состояния газов.

    Шкалы Кельвина и Цельсия более широко используются в научной работе; поэтому в некоторых технических руководствах эти весы могут использоваться в указаниях и инструкциях по эксплуатации. Шкала Фаренгейта широко используется в Соединенных Штатах, и большинство людей знакомы с ней. Поэтому шкала Фаренгейта используется в большинстве областей этого сайта.

    Тепловое расширение/сжатие

    Тепловое расширение происходит в твердых телах, жидкостях и газах при их нагревании. За некоторыми исключениями, твердые тела расширяются при нагревании и сжимаются при охлаждении. Расширение твердых тел при нагревании очень незначительно по сравнению с расширением в жидкостях и газах, потому что молекулы твердых тел расположены гораздо ближе друг к другу и сильнее притягиваются друг к другу. Расширение жидкостей обсуждается при изучении закона Бойля. Тепловое расширение твердых тел необходимо объяснить более подробно из-за его тесной связи с авиационными металлами и материалами.

    Необходимо экспериментально измерить точную скорость расширения каждого из них, потому что некоторые вещества расширяются больше, чем другие. Величина, на которую единица длины любого вещества расширяется при повышении температуры на один градус, называется коэффициентом линейного расширения этого вещества. Коэффициент линейного расширения для различных материалов показан на рисунке 6.

    Рисунок 6. Коэффициент расширения для различных материалов

    Чтобы оценить расширение любого объекта, например стального рельса, необходимо знать о нем три вещи: его длину, повышение температуры, которой он подвергается, и его коэффициент расширения. Это соотношение выражается уравнением:

    Расширение = (коэффициент) × (длина) × (повышение температуры)

    Если длина стального стержня составляет ровно 9 футов при 21 °C, какова его длина при 55 °C? Коэффициент расширения для стали 11 × 10 −6 .

    Расширение = (11 × 10 −6 ) × (9 футов) × 34°
    Расширение = 0,003366 футов

    Эта величина, прибавленная к исходной длине стержня, дает длину стержня 9,003366 футов. Его длина увеличилась всего на 4 ⁄100 дюйма.

    Увеличение длины стержня относительно невелико, но если бы стержень был помещен в такое место, где он не мог бы свободно расширяться, возникла бы огромная сила из-за теплового расширения. Таким образом, тепловое расширение необходимо учитывать при проектировании планеров, силовых установок или сопутствующего оборудования.

    Связанные посты

    • Сила, работа, мощность и крутящий момент
    • Простые машины
    • Пресс
    • Движение
    • Давление
    • Газовые законы
    • Жидко

      Крайний срок подачи тезисов 16 сентября 2022 г.

      Крайний срок подачи рукописи 15 ноября 2022 г.

      Теплопередача является важной проблемой в аэрокосмических приложениях. И космический корабль, и самолет состоят из электронных и механических компонентов. Эти компоненты должны оставаться в определенных температурных пределах для обеспечения успешной и продолжительной работы. Это достигается соответствующим тепловым расчетом. Тепловое оборудование, такое как тепловые трубки, испарительные камеры, радиаторы и т. д., используется для контроля температуры электронного оборудования в аэрокосмической отрасли. Экспериментальные и вычислительные исследования были сосредоточены на теплопередаче, связанной с аэрокосмическими приложениями. Тем не менее, теории и методы управления тепловым режимом аэрокосмических приложений все еще нуждаются в дальнейшей разработке для повышения производительности систем, подсистем и оборудования.

      Эта тема исследования направлена ​​на освещение теорий и методов, которые делают успехи в решении возникающих проблем в области теплопередачи в аэрокосмических приложениях. Мы предлагаем оригинальные исследования, обзор, краткий исследовательский отчет, мини-обзор и перспективу, посвященные всем аспектам теплопередачи в аэрокосмических приложениях.

      Области, представляющие особый интерес для рассмотрения в этой теме исследования по теплопередаче в аэрокосмических приложениях, включают, но не ограничиваются:

      • Кондуктивный, конвективный и радиационный теплообмен
      • Жидкостный и аэрозольный теплообмен
      • Теплообмен в тепловых трубах и паровых камерах
      • Материалы с фазовым переходом
      • Нано-, микро- и макротеплообмен
      • Системы охлаждения электроники
      • Многофазный поток и теплопередача
      • Улучшение теплопередачи
      • Материалы теплового интерфейса
      • Аппаратное и программное обеспечение для управления температурой

      Ключевые слова :
      теплопередача, охлаждение электроники, испарение, тепловая трубка, испарительная камера, терморегулирование, термический анализ, тепловой расчет, кипение и конденсация

      Важное примечание :
      Все вклады в эту тему исследования должны быть в рамках раздела и журнала, в который они представлены, как это определено в их заявлениях о миссии. Frontiers оставляет за собой право направить рукопись, выходящую за рамки рассмотрения, в более подходящий раздел или журнал на любом этапе рецензирования.

      Теплопередача является важной проблемой в аэрокосмических приложениях. И космический корабль, и самолет состоят из электронных и механических компонентов. Эти компоненты должны оставаться в определенных температурных пределах для обеспечения успешной и продолжительной работы. Это достигается соответствующим тепловым расчетом. Тепловое оборудование, такое как тепловые трубки, испарительные камеры, радиаторы и т. д., используется для контроля температуры электронного оборудования в аэрокосмической отрасли. Экспериментальные и вычислительные исследования были сосредоточены на теплопередаче, связанной с аэрокосмическими приложениями. Тем не менее, теории и методы управления тепловым режимом аэрокосмических приложений все еще нуждаются в дальнейшей разработке для повышения производительности систем, подсистем и оборудования.

      Эта тема исследования направлена ​​на освещение теорий и методов, которые делают успехи в решении возникающих проблем в области теплопередачи в аэрокосмических приложениях. Мы предлагаем оригинальные исследования, обзор, краткий исследовательский отчет, мини-обзор и перспективу, посвященные всем аспектам теплопередачи в аэрокосмических приложениях.

      Области, представляющие особый интерес для рассмотрения в этой теме исследования по теплопередаче в аэрокосмических приложениях, включают, но не ограничиваются:

      • Кондуктивный, конвективный и радиационный теплообмен
      • Жидкостный и аэрозольный теплообмен
      • Теплообмен в тепловых трубах и паровых камерах
      • Материалы с фазовым переходом
      • Нано-, микро- и макротеплообмен
      • Системы охлаждения электроники
      • Многофазный поток и теплопередача
      • Улучшение теплопередачи
      • Материалы теплового интерфейса
      • Аппаратное и программное обеспечение для управления температурой

      Ключевые слова :
      теплопередача, охлаждение электроники, испарение, тепловая трубка, испарительная камера, терморегулирование, термический анализ, тепловой расчет, кипение и конденсация

      Важное примечание :
      Все вклады в эту тему исследования должны быть в рамках раздела и журнала, в который они представлены, как это определено в их заявлениях о миссии. Frontiers оставляет за собой право направить рукопись, выходящую за рамки рассмотрения, в более подходящий раздел или журнал на любом этапе рецензирования.

      Управление теплом в БПЛА и моделях с реактивным двигателем — Ultimate-Jets

      Управление теплом необходимо для БПЛА или моделей с реактивным двигателем.

      Проблемы, связанные с перегревом, могут во многом повлиять на безопасность транспортных средств и имущества или людей на земле. Пожары в кустах (запрет на разведение огня летом), прямые ожоги из-за истечения струи / воздействия горячих частей, разрушение планера в полете, потеря управления из-за деформации корпуса или возгорания электроники, взрыв корпуса из-за взрыва реактивной трубы — вот некоторые примеры среди многих других. .

      Основным источником тепла в модели, очевидно, является реактивный двигатель. Этот тип силовой установки в основном сжигает топливо как можно горячее и преобразует тепловую энергию в кинетическую энергию для движения. Это создает множество тепловых опасностей. Чтобы лучше понять их, давайте немного поговорим о теории.

      1.1 Теория теплопередачи

      Тепловая энергия передается окружающей среде в основном тремя способами: проводимостью, конвекцией и излучением.

      Проводимость происходит через твердое тело (например, двигатель или опора трубы), конвекция через воздух (поток горячего воздуха, распространяющийся на окружающую среду), излучение через электромагнитные волны (ощущение тепла от раскаленного докрасна предмета на расстоянии). Все 3 явления происходят в БПЛА/модели с реактивным двигателем.

       

      Это означает, что необходимо рассмотреть несколько областей на предмет опасностей, связанных с перегревом, и можно использовать несколько методов/продуктов для снижения рисков, связанных с использованием реактивного двигателя в закрытом корпусе летательного аппарата.

      1.2. Режимы теплопередачи, применяемые к планерам с реактивными двигателями.

      1.

      2.1. Риски, связанные с теплопроводностью.

      Теплопроводность происходит через твердое тело, когда атомы материала возбуждают своих соседей из-за близости. Тепло распространяется немного подобно волне в материале.

      Области, в которых может происходить теплопроводность:

      Крепление двигателя (двигателей) (передача через выступы)

      Крепление трубы (передача через выступы)

      Соприкасающиеся элементы (провода, трубки, компоненты, соприкасающиеся с двигатель и/или стенки трубы)

      Все эти места подвержены тепловому повреждению/плавлению и должны быть устранены.

       

       

      1.2.2. Риски, связанные с конвекцией

      Тепловая конвекция возникает, когда горячий газ или жидкость смешиваются с более холодными.

      Возможна конвекция тепла вокруг истечения струи из двигателя.

      Но этот же эффект широко используется для охлаждения внутренних компонентов (обход воздуха и эффект Вентури).

       

      1.2.3. Риски, связанные с излучением

      Тепловое излучение возникает, когда электромагнитная энергия от нагретого элемента распространяется на близлежащий объект. Вообще говоря, явление присутствует, когда человек «чувствует» тепло раскаленного предмета на расстоянии.

      Это происходит и в вакууме (без конвекции) и именно так наше Солнце нагревает Землю.

      Излучающими элементами в струе обычно являются двигатель и труба.

       

      2.1. Защита внутренних элементов

      Внутренние элементы должны быть защищены от теплопроводности, конвекции и излучения. Большинство из них имеют ограниченную максимальную непрерывную температуру и пиковую температуру.

      Максимальная непрерывная температура должна учитываться при нормальном использовании (в большинстве случаев пиковая температура достигается на земле при рулении на холостом ходу или близком к холостому ходу)

      Пиковую температуру можно использовать для планирования устойчивости к мокрому пуску с пламенем, выходящим из трубы либо из переднего раструба, либо из заднего конца, или к взрыву трубы.

       

      Вот таблица, показывающая термостойкость некоторых продуктов:

       

       

      Как видите, топливопроводы являются одним из наиболее ограничивающих элементов в отношении управления теплом. Они несут топливо и плавятся при относительно низкой температуре! В прошлом это приводило к многочисленным возгораниям топлива, что приводило к полному разрушению самолета.

      Однако другим чувствительным элементом является стандартный провод сервопривода с изоляцией из ПВХ. Он также плавится при относительно низкой температуре, и после плавления провод сервопривода почти наверняка закоротит сам себя. На обычных приемниках без защиты линии это приведет к короткому замыканию всей системы дистанционного управления и блокировке органов управления полетом летательного аппарата, что приведет к потере управления моделью. Это наблюдалось много раз в прошлом и может быть чрезвычайно опасным для людей и имущества на земле.

      Чтобы защитить внутренние элементы самолета от теплопередачи, необходимо реализовать несколько стратегий:

      2.1.1 Избегать:

      Стараться избегать прокладки чувствительных к теплу элементов вокруг источников тепла. Например, избегайте размещения ЭБУ на кронштейне двигателя, если только двигатель не закрыт байпасом.

      Аналогичным образом, по возможности избегайте прокладки проводов серводвигателя вокруг двигателя и трубопровода. Однако во многих случаях это просто неизбежно. В этом случае вам нужно будет снизить риски теплопередачи, используя другие стратегии, как описано в параграфе ниже.

      Наконец, чтобы компоненты не соприкасались с источниками тепла и не плавились за счет теплопроводности, вам необходимо закрепить компоненты.

      2.1.2 Используйте термостойкие компоненты:

      Мы предлагаем широкий ассортимент термостойких компонентов для реактивных самолетов.

      Используйте их!

      В частности, мы предлагаем два типа проводов HD сервоприводов для горячих зон с силиконовой изоляцией и изоляцией из ПТФЭ. Наша проволока из ПТФЭ на сегодняшний день является самой термостойкой и выдерживает воздействие факела!

      2.1.3. Смягчение:

      Если ни одна из двух первых стратегий невозможна или если кто-то хочет добавить дополнительный уровень безопасности в теплоизоляцию, можно применить следующие правила:

      2. 1.3.1. Защитите его:

      Для этого можно использовать различные материалы и приспособления:

      Термозащитные рукава можно использовать для защиты жгутов проводов или труб. Мы предлагаем трубчатые кевларовые рукава и огнезащитные рукава MIL SPEC. Кевларовые рукава выдерживают более высокие температуры, но имеют более свободное плетение, их труднее разрезать и требуют специальных условий для прохождения в них пучка.

      Испытание на пламя шланга из кевларового волокна. от Оли Ни на Vimeo.

       

      Огнестойкие оберточные втулки по спецификации MIL менее термостойкие, но очень удобные для пропуска пучка проводов или трубок и очень просты в установке.

       

       

      Учебное пособие по ткацкому станку Aero: защита проводов. от Оли Ни на Vimeo.

       

      Керамическое покрытие аэрокосмического класса может использоваться для защиты элементов от конвективного тепла (изоляция от воздушного потока) или кондуктивного тепла (путем размещения двух элементов, соприкасающихся со слоем изоляции).

      Алюминиевая высокотемпературная лента также может использоваться для отражения тепла, излучаемого компонентом. Лента должна использовать высокотемпературный клей, чтобы она не отклеивалась в жаркой среде.

      2.1.3.2. Почини это.

      Используйте термостойкие зажимы, чтобы незакрепленные компоненты не касались теплоизлучателя и не плавились за счет теплопроводности. Для этой цели мы разработали ряд термостойких зажимов и термостойких держателей ECU/ресиверов.

       

      На этом рисунке показана наша линейка зажимов MIL PEEK.

      2.2. Защита планера

      2.2.1. Охлаждение излучающих элементов за счет конвекции:

      Наилучшей стратегией защиты планера является обеспечение адекватного охлаждения излучающих тепло элементов. Это должно быть сделано с помощью надлежащего эффекта Вентури. Эффект Вентури заключается в притягивании холодного воздуха к горячим частям (двигатель, упорная труба). Охлаждение происходит за счет конвекции.

      2.2.2. Защита кожи:

      Обшивка современных БПЛА или реактивных моделей предназначена не только для придания формы самолету. Он также является неотъемлемой частью конструкции и должен иметь приемлемый уровень жесткости. Кроме того, во многих БПЛА используются ламинаты с сердцевиной Airex, которые могут дегазировать при более высоких температурах и создавать внутренние расслоения.

      Поэтому кожа должна постоянно храниться при температуре значительно ниже предела tg (переход в стекло, когда смола начинает плавиться). Это должно быть сделано путем обеспечения того, чтобы излучающие элементы не были слишком горячими (правильно спроектированный байпас двигателя и трубное охлаждение), а внутренний объем планера вентилировался (конвективное охлаждение). Правильно сконструированный планер должен всегда поддерживать температуру поверхности ниже 50 градусов по Цельсию, измеренную снаружи.

       

       

      Если самолет не спроектирован должным образом, смягчение будет заключаться в использовании керамического покрытия в слишком горячих зонах. Одеяло должно быть склеено высокотемпературным гелем CA или циркониевым клеем.

       

      2.2.3. Защита переборок:

      Переборка, изготовленная из аирекс/углеродного волокна, выдерживает температуру не более 80 градусов c. Учтите, что дешевая копия airex очень часто начинает плавиться при 60°C вместо 80.

      В случае горячей задней секции переборка также должна быть защищена керамическим покрытием. Опять же, лучшая стратегия здесь — обеспечить надлежащее охлаждение излучающих элементов (эффект Вентури и труба с двойными стенками), а не загружать заднюю часть самолета.

       

      2.2.4. Клеевые соединения:

       

      Это то, что иногда пропускают. Клеевые соединения между переборками и обшивкой являются важными конструктивными элементами и должны быть защищены, как и остальная часть планера, в случае недостаточного внутреннего охлаждения. Опять же, керамическое одеяло — хорошая стратегия. Это просто вопрос расширения защиты обшивки и переборки до клеевых швов.

       

      2.2.5. Теплота отходящих газов:

      Выхлоп горячего газа может достигать 600 градусов Цельсия во время работы и 900 градусов по Цельсию во время срыва пламени или мокрого пуска.

      Крайне важно, чтобы проектировщик планера предусмотрел меры, исключающие попадание выхлопных газов двигателя внутрь корпуса.

      Это обеспечивается правильной конструкцией байпаса двигателя и трубопровода. Мы рекомендуем систематически устанавливать полный байпас двигателя в модель БПЛА или реактивного самолета. Байпас должен быть отлит из углеродного волокна (плавится при температуре около 1000°С) и высокотемпературной смолы. Это защитит планер в случае возгорания или влажного старта/капывания топлива во время старта. Углеродное волокно сохранит определенный уровень целостности в случае сильного пламени, выходящего из двигателя и распространяющегося из-за мокрого запуска, даже после того, как эпоксидная смола начала гореть.

       

      2.2.6. Тепловое излучение и эффект Вентури:

      В канале реактивного двигателя возникают четыре эффекта Вентури. Один на впуске воздуховода, один на впуске двигателя, один на сопле двигателя и один на выпуске.

      На впуске воздух нагнетается из бесконечного объема (снаружи) в ограниченный объем (секция впуска).

      Эффект Вентури на сопле двигателя является наиболее важным с точки зрения теплопередачи. Он приводится в действие струйным истечением и заставляет перепускной воздух ускоряться. Это создает сильный эффект Бернулли, когда создается вакуум, который распространяется вдоль упорной трубы.

      Низкое давление в патрубке вынуждает часть холодного воздуха от впуска двигателя отводиться на выхлоп двигателя. Если реализовано правильное распределение объема байпаса, поток холодного воздуха будет проходить вокруг корпуса двигателя (который в рабочем режиме излучает в среднем 150°C), а также сопло (которое может излучать до 700°C на полной тяге). ) и снижает температуру внешней оболочки байпаса (которая увеличивается за счет теплопередачи) за счет эффекта конвекции.

      Это чрезвычайно удобно для проектировщика, так как помогает предотвратить слишком сильное влияние внутреннего тепла на один из наиболее важных источников излучаемого тепла. Таким образом, правильная конструкция распределения объема байпаса имеет важное значение для управления теплом.

      Другой заметный и важный эффект Вентури возникает на выходе из упорной трубы.

      Упорная труба правильной конструкции должна иметь двойные стенки. Поток холодного воздуха должен проходить внутри трубы с двойными стенками, чтобы охлаждать внутреннюю трубу за счет конвекции. Это достигается за счет создания эффекта Вентури в задней части трубы. Для этого внутренняя труба должна быть зажата внутри внешней трубы на определенном расстоянии. Это расстояние зависит от ряда факторов, таких как расстояние между стенками и скорость выхлопа, но обычно оптимальным является значение от 10 до 15 мм.

      При правильно сконструированной трубке Вентури температура внешней трубы должна оставаться в пределах 60–80°C.

       

      2.2.7. Опасность взрыва трубы:

      Однако у этих эффектов Вентури есть обратная сторона: они создают вакуум в трубе. В некоторых случаях этот вакуум может быть довольно сильным и создавать опасность взрыва трубы.

      Это очень серьезная угроза для самолета, так как замятая труба может привести к двум проблемам: расплавлению внутренних компонентов и выбросу планера, если труба закрывает заднюю часть корпуса.

      Из-за опасности взрыва трубы рекомендуется защищать сервопровода, идущие в задней части самолета, от сильного нагрева.

      В случае обрушения трубы нужно успеть остановить двигатель и отвести самолет от людей и имущества на земле, прежде чем расплавятся провода сервоприводов.

      Это достигается за счет использования либо кремниевых сервопроводов, либо, что еще лучше, проводов из ПТФЭ, защищенных кевларовой оболочкой. Точно так же я рекомендую использовать высокотемпературные хомуты вокруг трубы, чтобы в случае взрыва и попадания горячих выхлопных газов внутрь воздуховода защитный хомут кабеля не слетел со своего места из-за выхода из строя расплавленных хомутов.

      2.2.8. Нагрев

      Это конвективное явление, при котором горячий воздух попадает в замкнутое пространство и передает тепло окружающей среде. Обычно это происходит в задней части самолета в области киля/руля высоты/верхней части фюзеляжа. Риск заключается в медленном достижении Tg эпоксидной смолы и выше из-за отсутствия охлаждения и в конечном итоге повреждения конструкции или разрыва в полете. Чтобы избежать перегрева, я рекомендую закрыть области, где невозможно добиться активного охлаждения. Как правило, для этой цели отлично подходит алюминиевая фольга.

      2.3. Защита людей и имущества

      2.3.1. Риски реактивной струи:

      Струйная струя, выходящая из сопла двигателя, опасна. Это высокоскоростной/высокоэнергетический поток, температура которого может достигать 700°С. Но даже на холостых истечение будет на уровне 400с в среднем. Такой мощный энергетический поток может моментально обжечь кожу. Поэтому важно следить за тем, чтобы задняя часть самолета никогда не была направлена ​​на людей с оборудованием при работающем двигателе. Голые ноги человека можно обжечь за считанные секунды.!

      2.3.2. Опасность прямого ожога:

      Следующая опасность – прямой ожог при прикосновении к излучающим тепло элементам внутри самолета. Не пытайтесь работать на работающем двигателе со снятой крышкой байпаса. Точно так же не работайте вокруг упорной трубы при работающем двигателе.

       

      2.3.3. Опасность возгорания:

      Работающий реактивный двигатель всегда представляет опасность возгорания. Всегда держите рядом с моделью огнетушитель и противопожарные одеяла. Я рекомендую использовать огнетушитель CO2, а не порошковый, так как последний может быть химически разрушителен для вашей композитной укладки / краски и проводов сервопривода.

       

       

       3.

      1. Перед первой проверкой: 

      Я настоятельно рекомендую перед первой проверкой планера на теплоотдачу. Это даст хорошее представление о рисках для самолета и обычно охватывает сценарий полета. В полете корпус имеет тенденцию нагреваться ниже, чем на земле.

      По сути, существует два способа тестирования режимов теплопередачи в реальном времени: зондирование и визуализация.

      3.1.1 Тестирование зонда.

      На рынке имеется множество различных типов термометров для тепловых испытаний. Некоторые из них аналоговые, некоторые цифровые, некоторые с прямым считыванием и некоторые с поддержкой телеметрии.

      Вместе с Карстеном я разработал систему ASSI/CAN BUS, которая способна передавать ряд показаний температуры на передатчик Jeti/Futaba в режиме реального времени.

       

      Эта система позволяет использовать до 8 термопар типа K (до 1500 C) и транслировать через промышленную шину CAN, а также Futaba SBUS 2 и Jeti EX BUS. Датчики можно удлинить и разместить везде, где это необходимо в самолете, чтобы отобразить тепловую сигнатуру конструкции. Это включает в себя размещение термопары на сопле двигателя/корпусе двигателя или внутри упорной трубы!

      Я рекомендую размещать внутренние датчики вокруг байпаса двигателя, на внешней стенке трубы и рядом с жгутом электропроводки в более горячей части. Если в задней части самолета есть сервоприводы, проверка рядом с ними будет иметь решающее значение для обеспечения надежной работы органов управления. Точно так же исследование структурных переборок, таких как руль высоты или ребристая труба / шпангоуты, может выявить некоторые проблемы, которые могут возникнуть в долгосрочной перспективе.

      Эта система была разработана для профессиональных разработчиков БПЛА и уже предоставила нашим командам внушительный объем бесценных данных.

      3.1.2. ИК-изображения

      Инфракрасные изображения также чрезвычайно ценны и их можно быстро получить. Доступны многие варианты, например FLIR One Pro с подключением к смартфону.

      Тепловизионное изображение — очень хороший выбор для проверки температуры кожи. Тем не менее, в реальном времени несколько показаний температуры внутри самолета должны выполняться с помощью системы телеметрии.

      3.2. Протоколы испытаний на земле:

      Тест на холостом ходу: это базовый тест для считывания температуры. Запустите двигатель и запишите температуру на холостом ходу. Обратите внимание, что положение самолета против ветра должно влиять на ваши показания. Они должны быть выше при попутном ветре. Тест на холостом ходу может быть довольно сложным для самолета, поскольку на холостом ходу эффект Вентури ниже.

      Для первого теста на холостом ходу рекомендую взять с собой электровентилятор и быть готовым проветрить планер, если результат сильно нагреется!

      Испытание на руление: это второе испытание, которое можно выполнить после завершения испытания на холостом ходу и охлаждения самолета. Для руления потребуются различные уровни тяги и будут создаваться различные охлаждающие потоки внутри самолета. Для этого рекомендуется чтение телеметрии, чтобы иметь возможность остановить двигатель, если ситуация станет критической, находясь далеко.

      Статическое испытание на полной тяге: это позволит вам увидеть, как самолет работает с точки зрения охлаждения в начале разбега. По мере того, как самолет ускоряется на взлетно-посадочной полосе, термики должны улучшаться с увеличением скорости/внутреннего потока.

      3.3. Протоколы испытаний в воздухе:

      В полете: Единственный способ проверить термики в воздухе — это иметь на борту систему телеметрии.

      После полета: после завершения полета и когда самолет возвращается на стоянку, рекомендуется продолжать просматривать значения телеметрии и следить за тем, как увеличиваются термики.

       

      Управление тепловыми угрозами может быть намного сложнее, чем кажется, и требует хорошего знания теории и определенного аппаратного обеспечения, а также социальных навыков.

      Как всегда с аэродинамическими конструкциями, помните, что весь автомобиль следует правилу цепи. Это настолько хорошо, насколько хорошо самое слабое звено. Если кто-то решает инвестировать в лучшую технологию в какой-то области, то все остальные области должны последовать этому примеру. Нет необходимости использовать супервысокотехнологичную керамическую изоляцию, если провод сервопривода изготовлен из незащищенного ПВХ.

      Мы надеемся, что эта статья даст вам инструменты для повышения безопасности вашего БПЛА и моделей.

      Оли и команда UJ.

      Что такое теплопередача? | SimWiki Documentation

      В общем, теплопередача описывает поток тепла (тепловой энергии) из-за разницы температур и последующего распределения и изменений температуры.

      Изучение явлений переноса касается обмена импульсом, энергией и массой в форме проводимости, конвекции и излучения. Эти процессы можно описать с помощью математических формул.

      Основы этих формул лежат в законах сохранения количества движения, энергии и массы в сочетании с определяющими законами, отношениями, которые описывают не только сохранение, но и поток величин, связанных с этими явлениями. Для этого используются дифференциальные уравнения, которые наилучшим образом описывают упомянутые законы и определяющие соотношения. Решение этих уравнений является эффективным способом исследования систем и прогнозирования их поведения.

      Рис. 1. Охлаждение радиатора с SimScale, показывающее распределение температуры

      История и терминология

      Без посторонней помощи тепло всегда будет перетекать от горячих объектов к холодным, что является прямым следствием второго закона термодинамики .

      Мы называем это тепловым потоком . В начале девятнадцатого века ученые считали, что все тела содержат невидимую жидкость под названием калорий (безмассовая жидкость, которая, как считалось, перетекает от горячих объектов к холодным). Калорику были присвоены свойства, некоторые из которых оказались несовместимыми с природой (например, он имел вес и не мог быть создан или уничтожен). Но самой главной его особенностью было то, что она могла перетекать из горячих тел в холодные. Это был очень полезный способ думать о тепле.

      Томпсон и Джоуль показали, что эта теория калорий неверна. 5\).

      Поток тепла происходит постоянно от любого физического объекта к окружающим его объектам. Тепло постоянно течет от вашего тела к окружающему вас воздуху. Небольшое движение воздуха, вызванное плавучестью (или конвекцией), будет продолжаться в комнате, потому что стены никогда не могут быть идеально изотермическими, как в теории. Единственная область, свободная от теплового потока, должна быть изотермической и полностью изолированной от любой другой системы, обеспечивающей передачу тепла. Такую систему практически невозможно создать. 91\).

      Методы теплопередачи

      Теплопередача — это передача тепловой энергии за счет градиента температуры. Ниже описаны различные режимы теплопередачи:

      Рисунок 2: Теплопроводность, конвекция и излучение происходят одновременно.

      Проводимость

      Закон Фурье : Жозеф Фурье (см. рис. 3) опубликовал свою книгу «Аналитическая теория Шалёра» в 1822 году.

      Рис. 3: Жозеф Фурье – французский математик и физик

      В этой книге он сформулировал полную теорию теплопроводности. Он сформулировал эмпирический закон, т. закон Фурье, который утверждает, что тепловой поток (\(q\) в результате теплопроводности прямо пропорционален величине температурного градиента. Если мы назовем константу пропорциональности \(k\), это означает

      $ $ q = -k \frac{dT}{dx} \tag{1}$$

      Константа \(k\) называется коэффициентом теплопроводности с размерами \(\frac{W}{m *K}\) или \(\frac{J}{m*s*K}\).

      Помните, что тепловой поток является векторной величиной! Уравнение (1) говорит нам, что если температура уменьшается с \(x\), \(q\) будет положительным, т.е. будет течь в положительном \(x\)-направлении. Если \(T\) увеличивается с \(x\), \(q\) будет отрицательным; он будет течь в отрицательном \(x\)-направлении. В любом случае \(q\) будет течь от более высоких температур к более низким, как уже упоминалось. Уравнение (1) представляет собой одномерную формулировку закона Фурье. 1\).

      Теплопроводность газов можно понять с помощью воображения молекул. Эти молекулы перемещаются посредством теплового движения из одного положения в другое, как показано на рисунке ниже:

      Рисунок 4: Теплопроводность газа

      Внутренняя энергия молекул передается посредством удара с другими молекулами. Области с низкими температурами будут заняты молекулами с высокими температурами и наоборот. Теплопроводность 95\). Теплопроводность не зависит от давления и увеличивается пропорционально корню из температуры.

      Эту теорию довольно сложно понять для объектов, отличных от металлов. А для жидкостей еще сложнее, потому что простой теории нет. В неметаллических компонентах теплопередача через колебаний решетки (фонон). Теплопроводность , передаваемая фононами, также существует в металлах, но ее превосходит проводимость электронов.

      Низкая теплопроводность изоляционных материалов, таких как полистирол или стекловата, основана на принципе низкой теплопроводности воздуха (или любого другого газа). The following table lists some of the commonly used elements/materials and their thermal conductivities:

      Material Thermal conductivity \(W/(m.K)\)
      Oxygen 0.023
      пар 0.0248
      Polystyrene 0.032-0.050
      Water 0.5562
      Glass 0.76
      Concrete 2.1
      Steel high-alloyed 15
      Сталь нелегированная 48-58
      Железо 80,2
      Медь чистая 7 09 9 9 008079 Алмаз0079

      2300

      Таблица 1: Теплопроводность различных материалов

      Аналогичные определения

      Теплопередача: Плотность теплового флока плотность \(\propto\) град x (Коэффициент диффузии)

      Электрический провод: Плотность тока \(\propto\) град \(U_{el}\) (электропроводность)

      Излучение

      Излучение описывает явление передачи энергии от одного тела к другому путем распространения независимо от среды. Все тела постоянно излучают энергию посредством электромагнитного излучения. Интенсивность такого потока энергии зависит не только от температуры тела, но и от характеристик поверхности. Если вы сидите перед костром, большая часть тепла, которое достигает вас, является лучистой энергией. Очень часто выброс энергии или 96\).

      Электромагнитное излучение можно рассматривать как поток фотонов, каждый из которых движется волнообразно, движется со скоростью света и несет энергию. Различные электромагнитные излучения классифицируются по энергии фотонов в них. Важно иметь в виду, что если мы говорим об энергии фотона, поведение может быть поведением либо волны, либо частицы, называемой «дуальностью 90 279 волны-частицы 90 280» света.

      Каждый квант лучистой энергии имеет длину волны \(\lambda\) и частоту \(\nu\), связанные с ним. Связь между энергией, длиной волны \(\lambda\) и частотой \(\nu\) может быть записана как длина волны, равная скорости света, деленной на частоту, или 9{-34} Js )\).

      В таблице ниже показаны различные формы для различных длин волн. Тепловое излучение от 0,1 до 1000 мкм.

      Characterization Wavelength
      Gamma rays 0.3 100 \(pm\)
      X-rays 0.01-30 \(nm\)
      Ultraviolet light 3-400 мкм
      Видимый свет 0,4-0,7 мкм
      Near-infrared radiation 0.7-30 \(\mu m\)
      Far infrared radiation 30-1000 \(\mu m\)
      Microwaves 10-300 \( мм\)
      Коротковолновое радио ТВ 300 \(мм\)-100 \(м\)

      Таблица 2: Спектр электромагнитных волн

      Тело, способное излучать излучение \((\dot{Q_E} )\) также может отражать \((\dot{Q_R})\), передавать \((\dot{Q_T})\) и поглощать \((\dot{Q_A})\) падающее излучение. 92\).

      Конвекция

      Рассмотрим ситуацию с конвективным охлаждением. Холодный газ обтекает теплое тело, как показано на рисунке ниже:

      Рисунок 6: Конвективное охлаждение нагретого тела происходит в результате теплообмена между двумя телами, аналогичного теплопроводности

      Жидкость образует тонкую замедленную область, называемую пограничный слой, непосредственно прилегающий к телу. В этот слой передается тепло, которое исчезает и смешивается с потоком. Мы называем этот процесс отводом тепла от тела движущейся жидкостью 9.1\).

      Стационарная форма Закона Ньютона охлаждения, определяющего свободную конвекцию, описывается следующей формулой:

      $$ Q = h(T_{body} – T_\infty)$$

      где \(h\ ) — коэффициент теплопередачи . Этот коэффициент можно обозначить чертой \(\overline{h}\), которая указывает среднее значение по поверхности тела. \(h\) без черты обозначает «локальные» значения коэффициента.

      В зависимости от того, как инициируется движение жидкости, мы можем классифицировать конвекцию как естественная (бесплатная) или принудительная конвекция. 3\).

    Category Structural Analysis (linear static) Heat Transfer Analysis (steady state)
    Material
    properties
    Young’s modulus( E ) Thermal проводимость( k )
    Законы Закон Гука \(\sigma=E\cdot\frac{du}{dx}\) Закон Фурье \(q=-k\cdot\frac{dT} {дх}\)
    Степень
    Свобода (DOF)
    Смещение ( U ) Температура ( T )
    Градиент DOF STAMIN \ (\ EPSIL \) (\ SIGMAR \ SIGMA \ SIGMA \ SIGMA \ SIGMA \ SIGMA \ SIGMA \ SIGMA \ SIGMA \ SIGMA \ SIGMA \ SIGME888 Температурный градиент \((\nabla T)\)
    Сходства Осевая сила на единицу длины: Q Площадь поперечного сечения: A Модуль Юнга: E Внутреннее тепловыделение на единицу длины: Q Площадь поперечного сечения: A Теплопроводность: k