Что такое теплопередача путем теплопроводности
Ф = Q/t ,
где Q — переданное количество теплоты, t — время, за которое оно передано.
Тепловой поток измеряется в дж/сек, кал/сек, кал/мин и т. д.
Теплопередача или теплообмен могут происходить тремя способами:
- Путем теплопроводности,
- При конвекции
- Посредством теплового излучения.
Теплопередача путем теплопроводности происходит при соударении частиц вещества в процессе теплового движения. При соударении молекулы с более высокой кинетической энергией передают часть своей энергии молекулам с более низкой кинетической энергией. В результате средняя кинетическая энергия молекул, обусловливающая температуру тела, постепенно уравнивается во всех частях тела или системы тел. Если в каком-либо месте тела или системы тел путем внешнего воздействия поддерживается более интенсивное тепловое движение (т. е. более высокая температура), то оно путем соударения частиц постепенно распространяется во все остальные части тела или системы тел и вызывает в них соответственно повышение температуры.
Передача теплоты путем теплопроводности происходит между любыми телами: твердыми, жидкими или газообразными, одинаковой или различной природы, при непосредственном соприкосновении или через любую промежуточную среду, но не через вакуум, в котором нет частиц вещества. Теплопередача путем теплопроводности представляет в природе такое же универсальное явление, как и само тепловое движение.
Применение теплопроводности
Теплопередача путем теплопроводности часто используется для нагревания тел. Во многих случаях при этом на тело воздействуют нагретой средой, например продуктами сгорания топлива. На рис. 2, а показано нагревание стержня путем теплопроводности: густота точек на рисунке соответствует интенсивности теплового движения молекул. Обтекая тело, частицы нагретых газов, находящиеся в интенсивном тепловом движении, соударяются с поверхностно расположенными молекулами тела и передают им часть своей энергии.
Эти молекулы в свою очередь соударяются с соседними молекулами более глубоких частей тела и таким образом происходит постепенное нагревание тела в глубину. Одновременно более интенсивное тепловое движение распространяется вдоль стержня; в связи с тем что теплота передается также и окружающей среде, полного уравнивания температуры вдоль стержня не происходит. При установившемся процесс вдоль стержня устанавливается некоторый постоянный перепад температуры (рис. 2, б).
Тепловой поток передаваемый путем теплопроводности между двумя равными параллельными сечениями (или поверхностями) тела (рис 2, в), прямо пропорционален площади S этих сечений и среднем градиенту абсолютной температуры ∆Т/l = (T1 — T2)/l между ними:
Фт = kтS(∆Т/l) = kтS((T1 — T2)/l)
Здесь kT есть коэффициент теплопроводности, зависящий от природы вещества. Численно он равен количеству теплоты, которое передается за единицу времени между двумя сечениями или поверхностями тела площадью, равной единице, находящимися на расстоянии, равном единице, при разности температур между ними в один градус.
Размерность коэффициента теплопроводности kT в системе СИ дж/(м•сек•град). Если количество теплоты выражается в калориях, то —-кал/(см • сек • град).
Поскольку разность абсолютных температур равняется разности температур по шкале Цельсия, приведенная формула может быть выражена и через температуру t в градусах Цельсия:
Фт = kтS((t1 — t2)/l)
Теплопроводность различных веществ отличается в весьма широких пределах. Наиболее высокую теплопроводность имеют металлы. Свободные электроны, перемещаясь по всей массе металла, значительно ускоряют процесс уравнивания температуры в его различных частях.
Наименьшей теплопроводностью обладают газы и, в частности, сухой воздух. Наличие влажности значительно повышает теплопроводность воздуха.
Коэффициенты теплопроводности
Коэффициенты теплопроводности некоторых веществ приведены в таблице.
Теплопроводность тканей организма различна. Теплопроводность жидких частей организма (тканевая жидкость, плазма крови и др.) близка к теплопроводности воды Теплопроводность плотных тканей значительно ниже, особенно таких тканей, как жировая ткань или роговой слой кожи.
| Вещество | дж/(мсек•град) | кал/(см•сек•град) |
| Воздух чистый сухой | 0,024 | 0,000057 |
| Ткань шерстяная сухая | 0,025 | 0,00006 |
| Ткань из растительного волокна сухая | 0,027 | 0,000065 |
| Кожа выделанная | 0,167 | 0,0004 |
| Жир, жировая клетчатка | 0,167—0,21 | 0,0004—0,0005 |
| Кожа человека (верхний слой) | 0,25 | 0,0006 |
| Древесина сухая | 0,21—0,29 | 0,0005—0,0007 |
| Вода | 0,585 | 0,0014 |
| Металлы | 400—40 | 1,0—0,1 |
Кожа и подкожная жировая клетчатка являются для организма теплоизолирующим слоем. Это ограничивает передачу теплоты из глубоких тканей к поверхности кожи. Поэтому температура поверхности кожи ниже температуры глубоких тканей.
Большое значение для сохранения теплоты внутри тела имеет также слой внешней среды, непосредственно примыкающий к коже, в котором происходит главный теплообмен тела с окружающей средой. У человека это слой, воздуха, который находится между поверхностью кожи и одеждой. Этот слой вместе с воздухом, находящимся в порах самой одежды, является основной тепловой защитой организма. Температура на поверхности одежды человека снижается до 15 — 18°С
Теплопередача при конвекции
Передача теплоты в жидких и газообразных средах может происходить также при взаимном перемещении нагретых и холодных масс частиц среды. Нагретые частицы распространяются по всей массе среды и таким образом ускоряют теплопередачу, происходящую при соударении нагретых и холодных частиц. Этот процесс называется теплопередачей при конвекции.
При естественной конвекции взаимное перемещение (перемешивание) нагретых и холодных масс частиц происходит вследствие разницы в их плотности: нагретые массы поднимаются вверх, холодные занимают их место.
Теплопередача при конвекции представляет собой весьма распространенное явление в природе, а также широко используется человеком в бытовых условиях. Путем конвекции, например, значительно ускоряется приготовление пищи при одностороннем нагревании сосуда (рис. 3), выравнивается температура воздуха в помещениях, обогреваемых печами или радиаторами центрального отопления.
Конвекция воды используется при устройстве водяного центрального отопления домов (в этом; случае, если циркуляция воды в системе поддерживается с помощью насосов, конвекция называется искусственной или принудительной).
Тепловой поток Фк, передаваемый от нагретой поверхности к омывающей ее среде при установившемся процессе, прямо пропорционален величине 5 поверхности и разности между температурой Т поверхности и средне» температурой Т0 среды:
Фк = kкS(T—To) = kKS(t—t0)
где kк — коэффициент теплопередачи при конвекции; он зависит or природы (воздух, вода) и от свойств среды, в которой происходит конвекция (вязкость, плотность, коэффициент теплового расширения), а также от поверхности, через которую происходит теплопередача (форма, состояние поверхности, положение ее в пространстве относительно омывающей среды). Размерность его дж/(м2•сек•град) или кал/(см2•сек•град). Для гладкой вертикальной стенки омываемой воздухом, kK — 13- 10~б кал/(см2 • сек • град).
Теплообмен с помощью излучения
Третьим видом теплообмена является передача теплоты с помощью излучения. В этом случае передача теплоты не требует непосредственного соприкосновения тел и может происходить как через промежуточную среду, если она прозрачна для излучения, так и через вакуум.
Теплообмен с помощью излучения заключается в том, что атомы или молекулы нагретого тела, находясь в интенсивном молекулярном движении, излучают электромагнитные волны, в результате чего тело охлаждается.
Эти волны, достигая какого либо другого непрозрачного для излучения тела, поглощаются его атомами или молекулами; это вызывает усиление их теплового движения и тело нагревается. Таким образом, энергия теплового движения частиц нагретого тела преобразуется в энергию излучения, которая, поглощаясь более холодным телом, переходит в энергию теплового движения его частиц.
При этом следует иметь в виду, что каждое тело как излучает, так и поглощает излучение, падающее на него со стороны других тел (рис. 4). Если температура тела Т1 выше температуры окружающих тел Т2, то оно больше излучает, чем поглощает, и, следовательно, охлаждается. Если температура тела Т1 ниже температуры окружающих тел Т2, то оно поглощает излучения больше, чем испускает, и, следовательно, нагревается.
Длина волны излучения зависит от температуры тела, при которой оно происходит. При относительно невысоких температурах, которые нас в данном случае особенно интересуют, тепловое излучение принадлежит к невидимому, наиболее длинноволновому излучению в инфракрасной части спектра.
Тепловое излучение свойственно всем телам без исключения и происходит при любых температурах, отличных от абсолютного нуля. В частности, тепловое излучение происходит и с поверхности тела человека, что легко можно обнаружить с помощью соответствующих приборов.
Тепловой поток Фп, передаваемый путем теплового излучения между двумя равными и параллельными поверхностями двух тел, имеющих абсолютные температуры Т1 и Т2 (причем Т1>Т2), при установившемся процессе прямо пропорционален величине поверхности и разности четвертых степеней температур:
Фп = δS(T41 — T42),
где δ — приведенный коэффициент излучения, который зависит главным образом от природы тел, от свойств излучающей и поглощающей поверхности (гладкая или шероховатая, светлая или темная и т. д.) и их: взаимного расположения. Размерность его дж/(м2•сек•град4) или кал/(см2•сек•град4).