Різновиди теплообміну
Як поділяється теплопередача? Теплопровідність, конвекція, випромінювання – три способи передачі енергії, які існують в природі. Кожен з них має свої відмінні характеристики, особливості, варіанти застосування в техніці.
Теплопровідність
Під кількістю теплоти розуміють суму кінетичної енергії молекул. Вони при зіткненні здатні передавати частину свого тепла холодним часткам. Теплопровідність максимально проявляється в твердих тілах, менш характерна для рідин, абсолютно не властива для газоподібних речовин.Як приклад, що підтверджує здатність твердих тіл передавати тепло від однієї ділянки до іншої, розглянемо наступний експеримент. Якщо на сталевий дріт закріпити металеві кнопки, потім піднести кінець дроту до палаючої спиртівці, поступово кнопки від неї почнуть відпадати. При нагріванні молекули починають рухатися з більшою швидкістю, частіше стикаються між собою. Саме ці частинки віддають свою енергію і тепло більш холодним областях. Якщо в рідинах і газах не забезпечується досить швидкого відтоку тепла, це призводить до різкого збільшення градієнта температури в гарячій області.
Теплове випромінювання
Відповідаючи на питання про те, який вид теплопередачі супроводжується переносом енергії, необхідно відзначити саме цей спосіб. Променистий перенос передбачає передачу енергії шляхом електромагнітного випромінювання. Даний варіант спостерігається при температурі від 4000К, описується рівнянням теплопровідності. Коефіцієнт поглинання залежить від хімічного складу, температури, щільності певного газу.Теплопередача повітря має певну межу, при збільшенні потоку енергії відбувається зростання градієнта температури, зростання коефіцієнта поглинання. Після того, як значення градієнта температури перевищить адіабатичний градієнт, виникне конвекція. Що таке теплопередача? Це фізичний процес передачі енергії від гарячого предмета до холодної при їх безпосередньому контакті або через перегородку, що розділяє матеріали. Якщо тіла однієї системи володіють різною температурою, в такому випадку процес передачі енергії відбувається до тих пір, поки між ними не встановиться термодинамічна рівновага.
Особливості теплопередачі
Що таке теплопередача? В чому особливості цього явища? Його неможливо зупинити повністю, можна лише зменшити швидкість його протікання? Використовується теплопередача в природі і техніці? Саме теплообмін супроводжує і характеризує багато природні явища: еволюція планет і зірок, метеорологічні процеси на поверхні нашої планети. Приміром, спільно з обміном масою, процес передачі тепла дозволяє аналізувати випарне охолодження, сушіння, дифузію. Він здійснюється між двома носіями теплової енергії через тверду стінку, яка виступає в ролі межі розділу тел. Теплопередача в природі і техніці - це спосіб характеристики стану окремого тіла, аналізу властивостей термодинамічної системи.
Закон Фур'є
Його називають законом теплопровідності, оскільки він пов'язує повну потужність втрат тепла, перепад температур з площею перерізу паралелепіпеда, його довжиною, а також з коефіцієнтом теплопровідності. Наприклад, для вакууму даний показник практично дорівнює нулю. Причина подібного явища полягає у мінімальній концентрації матеріальних частинок у вакуумі, які можуть переносити тепло. Незважаючи на таку особливість, у вакуумі існує варіант передачі енергії шляхом випромінювання. Застосування теплопередачі розглянемо на основі термоса. Стінки його роблять подвійними для того, щоб збільшити процес відображення. Між ними відкачують повітря, знижуючи при цьому втрати тепла.
Конвекція
Відповідаючи на питання про те, що таке теплопередача, розглянемо процес переносу тепла в рідинах або газах шляхом самовільного або вимушеного перемішування. У випадку примусової конвекції переміщення речовини викликано впливом зовнішніх сил: лопатей вентилятора, насоса. Застосовується подібний варіант в тих ситуаціях, коли природна конвекція не є ефективною. Природний процес спостерігається в тих випадках, коли при нерівномірному нагріванні відбувається нагрівання нижніх шарів речовини. Зменшується їх щільність, вони піднімаються вгору. Верхні шари, навпаки, охолоджуються, важчають, опускаються вниз. Далі процес повторюється, а при перемішуванні спостерігається самоорганізація в структуру вихорів, з конвекційних осередків формується правильна сітка. Завдяки природній конвекції утворюються хмари, випадають атмосферні опади, здійснюється рух тектонічних плит. Саме шляхом конвекції на Сонці формуються гранули. Правильне використання теплопередачі гарантує мінімальну втрату тепла, максимальне споживання.
Суть конвекції
Для пояснення конвекції можна використовувати закон Архімеда, а також теплового розширення твердих тіл і рідин. По мірі підвищення температури відбувається збільшення об'єму рідини, зменшення щільності. Під дією сили Архімеда вгору прагне більш легка (нагріта) рідина, а холодні (щільні) шари потрапляють вниз, поступово прогріваються.У випадку прогрівання рідини зверху тепла рідина залишається у вихідному положенні, тому не спостерігається конвекції. Саме так відбувається кругообіг рідини, який супроводжується переносом енергії від прогрітих ділянок до холодних місцях. У газах конвекція відбувається за аналогічним механізмом. З термодинамічної точки зору конвекцію розглядають як варіант передачі тепла, при якому перенесення внутрішньої енергії йде окремими потоками речовин, нагрітих нерівномірно. Подібне явище зустрічається в природі і побуті. Наприклад, опалювальні радіатори встановлюють на мінімальній висоті від підлоги, поблизу підвіконня. Холодне повітря прогрівається батареєю, потім поступово піднімається вгору, де він змішується з холодними повітряними масами, опускаемими від вікна. Конвекція призводить до встановлення в приміщенні рівномірної температури. Серед поширених прикладів атмосферної конвекції наведемо вітри: мусони, бризи. Повітря, що нагрівається над одними фрагментами Землі, охолоджується над іншими, у результаті чого відбувається його циркуляція, здійснюється перенесення вологи і енергії.
Особливості природної конвекції
На неї впливає відразу кілька факторів. Приміром, впливає на швидкість природної конвекції добовий рух Землі, морські течії, рельєф поверхні. Саме конвекція є основою виходу з кратерів вулкана і труб диму, утворення гір, ширяння різних птахів.