Виды теплообмена: коэффициент теплопередачи. Три основных вида передачи тепла

На рисунке показаны три способа теплообмена: теплопроводность, излучение и конвекция. Путём теплопроводности через дно и стенки котелка внутренняя энергия пламени переходит во внутреннюю энергию туристской похлёбки. Путём излучения – во внутреннюю энергию ладоней туриста и других тел. А путём конвекции – во внутреннюю энергию воздуха над костром.

Теплообмен теплопроводностью. Многочисленные опыты показывают: теплопроводность различных веществ различна: при одинаковых условиях они передают теплоту с разной скоростью.

Проделаем опыт (см. рисунок). Две проволоки, например медную и стальную одинаковой длины и толщины, укрепим так, чтобы их концы попали в пламя свечи. Мы увидим, что маленькие гвоздики, приклеенные воском, с медной проволоки начнут падать раньше. Значит, теплота по медной проволоке распространяется быстрее, чем по стальной.

Тела и вещества, способные передавать теплоту с большой скоростью, называются теплопроводниками. К ним в первую очередь относятся все металлы. Большинство газов передают теплоту очень медленно. Теплопроводность жидкостей (кроме жидких металлов) занимает промежуточное положение между теплопроводностью твёрдых тел и газов. Тела и вещества, передающие теплоту с малой скоростью, называются теплоизоляторами. К ним, например, относятся пенопласт, поролон, древесина, мех, вата и др.

Теплообмен конвекцией. На рисунке вы видите тень руки с зажжённой спичкой при освещении её фонариком. Волнистые тени над пламенем создают струйки поднимающегося тёплого воздуха. Это – пример конвекции. Так называют явление возникновения струй или потоков в нагреваемых или охлаждаемых жидкостях и газах (где действует сила Архимеда). Кроме того, с точки зрения термодинамики конвекция – это способ теплообмена, при котором внутренняя энергия переносится потоками неравномерно нагретых веществ.

Теплоообмен конвекцией часто встречается вокруг нас. Например, отопительные батареи располагают вблизи пола, но из-за конвекции тепло распространяется по всей высоте комнаты. Конвективные потоки также возникают в атмосфере, способствуя возникновению ветров и облаков, а также внутри кастрюль, которые нагреваются на кухонной плите, и так далее.

Теплообмен излучением. Известно, что тела, которые нагреты сильнее, чем окружающая среда, способны излучать энергию. Обратимся к опыту (см. рисунок). Нагреем в пламени гвоздь и приблизим его к ладони, не касаясь её, – ладонь почувствует тепло. Освободим вторую руку и приложим ладони друг к другу. Мы почувствуем, что ладонь, находившаяся вблизи раскалённого гвоздя, теплее, чем вторая. То есть происходит переход теплоты от гвоздя к ладони через слой воздуха.

Однако при теплообмене излучением энергия может переноситься без участия вещества. Так, например, энергия Солнца достигает нашей планеты, преодолевая огромные расстояния через космический вакуум, в котором вещество отсутствует.

Обобщим изученное в этом параграфе. При теплообмене конвекцией энергия переносится струями или потоками неравномерно нагретого вещества. При теплообмене теплопроводностью энергия переносится через слой вещества, но само вещество при этом не движется. При теплообмене излучением энергия переносится без участия вещества.

Теплопередачей, или теорией теплообмена, называют учение о распространении тепла в различных средах и о переходе тепла от более нагретых тел к менее нагретым. Есть только одно направление потока тепла - от горячих тел к холодным.

Все процессы, протекающие в котельных агрегатах, турбинах, конденсаторах, тепловых аппаратах приготовления пищи, сопровождаются теплообменом.

Различают три основных способа передачи тепла: теплопроводность, конвекцию и излучение.

Теплопроводность - это передача тепла (тепловой энергии) при непосредственном соприкосновении отдельных частиц тела или отдельных тел, имеющих различные температуры. Суть процесса состоит в том, что мельчайшие частицы тела с более высокой температурой имеют большую кинетическую энергию и при соприкосновении с частицами с меньшей температурой отдают свою энергию, а последние ее воспринимают. При этом никакого переноса массы вещества не происходит. В чистом виде теплопроводность может наблюдаться только в твердых телах.

Конвекция - перенос теплоты потоком жидкости или газа вследствие переноса массы вещества. Каждый элемент объема движущейся среды переносит теплоту при соприкосновении с нагретой поверхностью. В этом случае более нагретые частицы сталкиваются с менее нагретыми и отдают им часть своей энергии теплопроводностью. Передача тепла конвекцией в сочетании с теплопроводностью называется конвективной. Существует два вида конвекции: свободная (естественная), возникающая из-за разности плотностей среды, и вынужденная, возникающая под действием работы вентиляторов, насосов и т. д.

Излучение - процесс передачи тепла от одного тела к другому в виде лучистой энергии, которая, попадая на другие тела, частично или полностью поглощается этими телами и вызывает их нагрев. При этом присутствие физической среды необязательно. Излучение имеет электромагнитную природу, причем в вакууме энергия излучения распространяется со скоростью света.

В реальных условиях имеет место сложный теплообмен, при котором передача тепла осуществляется одновременно всеми тремя способами.

Теплообмен между телами может происходить при установившемся или неустановившемся тепловом режиме. При установившемся, или стационарном, тепловом режиме температура в каждой точке тела остается неизменной с течением времени.

При неустановившемся, или нестационарном, тепловом режиме температура в каждой точке тела изменяется с течением времени. Процессы нагрева и охлаждения продуктов в тепловых аппаратах и холодильных камерах соответственно протекают при нестационарных режимах.

Конвективный теплообмен осуществляется между стенкой сосуда и жидкостью (газом), омывающей эту стенку, при их непосредственном соприкосновении.

В зависимости от длины излучаемых волн проявляются различные свойства лучистой энергии. В связи с этим различают лучи: рентгеновские, ультрафиолетовые, световые, гамма-лучи, инфракрасные и т. д. В теплообмене большое значение имеют тепловые (инфракрасные) лучи.

Все тела при температурах, отличных от нуля, обладают способностью испускать, поглощать и отражать лучистую энергию. Тело может также пропускать через себя лучи, падающие на него от другого тела.

Лучистая энергия, падающая на тело, частично им поглощается, частично отражается от его поверхности, а частично пропускается телом на поверхность другого тела.

Для уменьшения потерь тепла боковыми поверхностями тепловых аппаратов в окружающую среду в жарочных, пекарских шкафах, в печах хлебопекарен и в другом оборудовании применяют экраны из алюминиевой фольги между внутренним и наружным коробом. В результате интенсивность лучистого теплообмена между этими поверхностями уменьшается в (n+1) раз (n - количество экранов). Экраны способствуют повышению КПД теплового аппарата и снижению температуры на поверхности аппаратов до допустимых по стандартным нормам значениям.

Сложный теплообмен представляет собой совокупность одновременно протекающих процессов теплопроводности, конвективного переноса тепла и теплового излучения. Например, если рассматривать нагрев воды в кастрюле, стоящей на электроплите, то здесь имеет место передача тепла теплопроводностью, излучением и конвекцией.

При нагреве воды в котлах с промежуточным теплоносителем осуществляется передача тепла от пара пароводяной рубашки к воде, т. е. имеет место переход тепла через стенку котла. Интенсивность такого перехода тепла через стенку оценивается коэффициентом теплопередачи.

Коэффициентом теплопередачи называется количество тепла, передаваемое от одной среды к другой через единицу поверхности стенки в единицу времени при разности температур между средами в один градус.

Сами стенки могут быть однослойными, двухслойными и многослойными, но суть физического явления передачи тепла остается одинаковой. При передаче теплоты от нагретой среды, например, в жарочном шкафу теплота передается к поверхности внутренней стенки конвекцией, затем теплопроводностью через все слои стенки и от последней наружной поверхности стенки - конвекцией к другой среде (воздуху), температура которого ниже, чем температура греющей среды.

СПОСОБЫ ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ .

При осуществлении термической сушки различают два про­цесса:

1) испарение подлежащей удалению влаги;

2) отвод от поверхности материала образовавшегося пара.

Для испарения 1 кг влаги к области парообразования необ­ходимо подвести вполне определенное количество теплоты. По­этому теплопередача составляет основу рабочих процессов, про­исходящих в сушильных установках. На практике в боль­шей или меньшей степени реализуются все три основные формы теплопереноса: 1) теплопроводность; 2) конвекция; 3) из­лучение.

Кроме того, во многих сушильных установках большое зна­чение имеет особая разновидность теплопередачи, а именно, тепло­передача путем кратковременного контакта, которая наблюдается, например, в вальцовых сушилках, на нагревательных решетках вакуумных сушилок и в барабанных сушилках при взаимодей­ствии холодного материала с нагретыми элементами внутренних устройств.

Подход к проблемам теплопередачи в сушильной технике отличается от подхода в других отраслях машиностроения. В ма­шиностроении форма и размеры теплопередающих и тепловоспринимающих элементов в большинстве случаев хорошо известны (трубы, пластины и т. п.). В сушильных установках геометри­ческая форма большинства сельскохозяйственных продуктов, подвергаемых сушке, чрезвычайно разнообразна, поэтому ее трудно с достаточной степенью точности описать аналитическими зависимостями.

Другая сложность состоит в том, что зона испарения влаги в материале непрерывно перемещается и зависит от условий процесса. По этой причине в сушильных установках, более чем в какой-либо другой области техники, экспериментальные иссле­дования составляют основу для расчета и проектирования уст­ройств.

Основные законы теплопередачи, излагаемые ниже, будут представлены в объеме, необходимом для полного понимания процессов, происходящих в сушильных установках сельско­хозяйственного назначения.

Теплопроводность как способ теплопередачи

Теплопередача посредством теплопроводности происходит внутри твердых тел, неподвижной жидкости и газа благодаря переносу энергии в форме теплоты от одной элементарной частицы к другой. Теплота переносится из области с высокой температурой в область с более низкой. В установившемся режиме плотность теплового потока между двумя параллельными поверхностями тела зависит от температурного напора, толщины стенки и тепло-физической константы - теплопроводности К (рис. 3.13):

Рис. 3.13. Теплопроводность плоской стенки

q – плотность теплового потока, ккал/(м2·ч);

λ – теплопроводность, ккал/(м·ч·ºС);

U1, U2 – температура на первой и второй поверхностях, ºС;

s – толщина стенки, м

В случае гомогенного тела, ограничен­ного плоскими поверхностями, температура между ними при установившемся тепловом режиме падает по линейному закону. Для

тел сложной структуры процесс в слое бесконечно малой тол­щины ds описывается уравнением вида

где dυ - разность температур в слое бесконечно малой тол­щины, °С. Знак минус в уравнении указывает на то, что теп­ловой поток направлен в сторону меньшей температуры.

Чтобы на основании рассмотрения процесса в слое бесконечно малой толщины сделать выводы о процессе во всем теле, необ­ходимо провести интегрирование при определенных граничных условиях.

Конвекция (способ теплопередачи)

Теплопередача конвекцией по существу включает два процесса (рис. 3.17):

1) передача тепла теплопроводностью от поверхности твер­дого тела через ламинарный пограничный слой к окрестностям ядра турбулентного потока;

2) передача тепла путем турбулентного переноса от ламинар­ного пограничного слоя к ядру турбулентного потока.

Для сушки характерно обратное направление теплового по­тока: от сушильного агента к поверхности твердого тела. Уравне­ние теплопередачи связывает между собой разность температур потока и поверхности тела с плотностью теплового потока:

где - коэффициент теплопередачи, ккал/(м2 ч °С);

UL;U0 - температура на стенке и в ядре потока, °С.

Рис. 3.17. Профиль температур при пере­носе теплоты от турбулентного потока к поверхности твердого тела через лами­нарный пограничный слой:UL- температура в ядре потока;U0- температура на поверхности тела

Для уяснения процессов кон­вективного теплообмена необхо­димо различать элементарные процессы (обтекание единичных тел) и сложные процессы (теп­лообмен в слое сыпучих мате­риалов, противо - и прямоток и т. д.).

Ламинарный пограничный слой, турбулентное ядро по­тока, теплопередача теплопро­водностью и турбулентным перемешиванием, так же как и массообмен в пограничном слое в прямом и обратном направлении, взаимосвязаны и оказывают друг на друга самые различные воздействия. Эти процессы можно описать с помощью балансовых уравнений обмена энергией и мас­сой. Для описания целесообразно ввести безразмерные критерии, которые связывают между собой многие физические и технологи­ческие параметры. Действительные физические зависимости с по­мощью таких критериев можно описать проще и нагляднее, отказавшись при этом от непосредственного использования фи­зических параметров, характеризующих процесс.

Излучение теплопередача излучением

Теплопередача излучением (например, при инфракрасном на­греве) происходит при переносе энергии. электромагнитными ко­лебаниями от одного тела другому. При этом в передаче энергии излучением не участвует ни твердый, ни жидкий, ни газообраз­ный носитель. В соответствии с законом Стефана-Больцмана энергия, излучаемая телом в окружающее пространство, про­порциональна его температуре (в градусах Кельвина) в четвертой степени:

q - плотность потока энергии излучения, каал/(м2·x);

С - коэффициент излучения тела;

Т - температура, К.

Если приблизить друг к другу два тела с разной температурой (рис. 3.21), то разность между поглощаемой и излучаемой энер­гией каждым из этих тел оценивается уравнением

Q = A1 С12[(Т 1 / 100)4 – (Т2 / 100)4] = A2 C21[(Т 1 / 100)4 – (Т2 / 100)4],

где Q - тепловой поток энергии излучения, ккал/ч; A1, A2 - излучающая поверхность тел 1 и 2; C12, C21 - коэффициенты излучения, ккал/[м2-ч (К/100)4]. Коэффициенты С12 или С21 исходя из представления коэффициен­тов излучения отдельных тел получа­ют из следующих уравнений:

1/С12 = 1/С1 + А1/А2 (1/С2 – 1/Сs) ;

1/С21 = 1/С2 + А2/А1 (1/С1 – 1/Сs) ;

Рис. 3.22. Плотность потока анергии из­лучения между телами, нагретыми до разной температуры (при С=4,0)

Рис 3.23. Распределение температур в керамической пластине при нагреве пото­ком инфракрасных лучей (по данным работы )

где Cs - коэффициент излучения абсолютно черного тела; Cs= 4,96 ккал/[м2-ч (К/100)4].

В таблицах нередко приводится значение относительной ха­рактеристики (табл. 3.10)

На рис. 3.22 показана зависимость плотности потока энергии излучения от температуры υ1 и υ2 в предположении, что С12 = С21 = 4 ккал/[м2-ч (К/100)4]. Из графиков видно, что при больших перепадах температур энергия излучения зависит лишь от температуры более горячего тела.

Особый интерес представляет процесс подвода теплоты с по­мощью излучения в сушильных установках, что обусловлено возможностью проникновения энергии излучения внутрь различ­ных сред. Глубина проникновения тепловых потоков при излу­чении зависит от вида материала и вида излучения. Для капил­лярно-пористых тел органического происхождения эта глубина равна 0,1-2 мм.

Вследствие того, что необходимая теплота высвобождается частично внутри тела, а не только на его поверхности, при опре­деленных условиях на поверхности плотность теплового потока может быть многократно увеличена.

Таблица 3.10 Степень черноты вещества по Шмидту

ВЕЩЕСТВО	Температура, °С	Степень черноты ε = C / Cs
Золото, серебро, медь полированные
полированная, слегка окисленная
обработанная наждаком
черненная (окисленная)
чисто отшлифованное
сильно окисленное
Глина обожженная
Лед гладкий, вода
Лед, шероховатая поверхность

По данным А. В. Лыкова плотность потока энергии, на­пример, можно увеличить с 750 ккал/(м2-ч) при конвекции до 22 500 ккал/(м2-ч) при излучении. На рис. 3.23 представлен в гра­фическом виде процесс нагрева тела с помощью энергии излуче­ния. Из графика отчетливо видно, что тепловая энергия вначале высвобождается только внутри тела, так как в противном случае максимум температуры должен был бы находиться на поверхности тела.

Контактный теплообмен

Контактный теплообмен наблюдается, когда два тела, имеющих в начальный момент времени различную температуру, приходят в соприкосновение друг с другом, в результате чего температура этих тел стремится к некоторой общей для них средней темпера­туре . На практике теплообмен такого рода можно встретить на нагретых или нагреваемых поверхностях при пересыпании, вибрации, скольжении высушиваемого материала.

В первый момент времени после соприкосновения двух тел, которые первоначально имели различную температуру, на поверхности их касания устанавливается средняя температура, обозначаемая U0. Величина называется тепловой активностью тела. При этом:

Среднее значение приведенного коэффициента теплоотдачи, отнесенное. к промежутку времени t и температурному перепаду U0-U∞ (где - U∞ - начальная температура холодного тела), рассчитывают по формуле.

При кратковременном контакте среднее значение приведенного коэффициента теплоотдачи может быть достаточно высоким.

Теплообмен при нагреве в переменном электромагнитном поле.

Если две металлические пластины, удаленные друг от друга на определенное расстояние, поместить в переменное электромагнитное поле, то между ними возникнет переменный ток, зависящий от напряженности поля и емкости

Рис 3.25. Изменение диэлектрической проницаемости в и тангенса угла диэлектрических потерь tgδ в зависимости от частоты f переменного электромагнит­ного поля и влагосодержания сосновой древесины (по данным работы )

Если между конден­саторными пластинами поме­стить материал, то емкостный ток возрастет пропорционально диэлектрической проницаемо­сти ε материала. Вода, содер­жащаяся в сельскохозяйствен­ных продуктах, по сравнению с их сухой массой имеет высо­кое значение диэлектрической проницаемости (при темпера­туре 0° С ε = 80), поэтому кон­станту е можно использовать для измерения влагосодержа­ния материала.

Чисто емкостный ток не вы­зывает разогрева влажного ма­териала. Сдвинутые по фазе токи внутри материала имеют также активную составляющую. Величина, выражающаяся отношением активной и емкостной составляющих, называется тан­генсом угла диэлектрических потерь:

IR - активная составляющая силы тока, А; IС - емкостная составляющая силы тока, A; U - действующее напряжение, В; R - активное сопротивление, Ом; w - круговая частота, 1/с; С - емкость, Ф; ε - диэлектрическая проницаемость; f - частота, Гц.

Выделение теплоты в материале обусловливается лишь актив­ной составляющей тока:

Если выразить напряжение через напряженность поля Е (напряжение, приходящееся на каждый сантиметр разделяющего пластины расстояния), то можно получить выражение, характе­ризующее мощность объемного тепловыделения:

Q - тепловыделение, ккал/ч; V - объем конденсатора, см3; Е - напряженность электрического поля, В/см.

Потери, определяемые tgδ, и диэлектрическая проницаемость е в значительной степени зависят - от влагосодержания материала и частоты изменения электромагнитного поля (рис. 3.25) . Уже при сравнительно небольшом влагосодержании оба упомяну­тых параметра значительно возрастают. Благодаря этому соз­даются необходимые условия для так называемой диэлектриче­ской сушки. При этом тепловыделения становятся особенно большими там, где влаги содержится больше всего. В результате в таких местах влага испаряется быстрее. Кроме того, в данном случае материал обезвоживается сначала изнутри, что имеет большое значение для предотвращения его разрушения от уса­дочных напряжений (при сушке дерева), наблюдаемых при обыч­ных способах сушки, когда материал высыхает вначале снаружи, а потом уже внутри.

При атмосферном давлении температура внутри влажного материала поднимается примерно до 100° С и остается постоянной на этом уровне. Если влага испаряется в таком большом коли­честве, что материал оказывается в гигроскопической области, то температура будет повышаться и далее. Вследствие этого сердце­вина материала может обуглиться, в то время как его наружные слои будут оставаться еще влажными.

Диэлектрическая, или высокочастотная сушка мало распро­странена не только лишь из-за больших капиталовложений и за­трат на высококвалифицированное обслуживание, но и вследствие большой энергоемкости процесса. Тепловая энергия, необходимая для испарения влаги, получается в результате преобразования электрической энергии, при этом преобразование энергии сопря­жено с заметными потерями.

>>Физика: Виды теплообмена

Внутреннюю энергию тела можно изменить двумя способами: путем совершения работы и путем теплообмена. Теплообмен может осуществляться по-разному. Различают три вида теплообмена: теплопроводность, конвекция и лучистый теплообмен.
pictur.jpg

1. Теплопроводность - это вид теплообмена, при котором происходит непосредственная передача энергии от частиц более нагретой части тела к частицам его менее нагретой части. При теплопроводности само вещество не перемещается вдоль тела - переносится лишь энергия.

Обратимся к опыту. Закрепим в штативе толстую медную проволоку, а к проволоке прикрепим воском (или пластилином) несколько гвоздиков (рис. 63).

При нагревании свободного конца проволоки в пламени спиртовки воск плавится и гвоздики постепенно отпадают от проволоки. Причем сначала отпадают те, которые расположены ближе к пламени, затем по очереди все остальные. Объясняется это следующим образом.

Наибольшей теплопроводностью обладают металлы, особенно серебро и медь. У жидкостей (за исключением расплавленных металлов) теплопроводность невелика. У газов она еще меньше, так как молекулы их находятся сравнительно далеко друг от друга и передача энергии от одной частицы к другой затруднена.

Если теплопроводность различных веществ сравнить с теплопроводностью меди, то окажется, что у железа она примерно в 5 раз меньше, у воды - в 658 раз меньше, у пористого кирпича - в 840 раз меньше, у свежевыпавшего снега - почти в 4000 раз меньше, у ваты, древесных опилок и овечьей шерсти - почти в 10 000 раз меньше, а у воздуха она примерно в 20 000 раз меньше.

Плохая теплопроводность шерсти, пуха и меха (обусловленная наличием между их волокнами воздуха) позволяет телу животного сохранять вырабатываемую организмом энергию и тем самым защищаться от охлаждения . Защищает от холода и жировой слой, который имеется у водоплавающих птиц, китов, моржей, тюленей и некоторых других животных.

2. Конвекция - это теплообмен в жидких и газообразных средах, осуществляемый потоками (или струями) вещества.
Общеизвестно, например, что жидкости и газы обычно нагревают снизу. Чайник с водой ставят на огонь, радиаторы отопления помещают под окнами около пола. Случайно ли это?

Поместив руку над горячей плитой или над включенной лампой, мы почувствуем, что от плиты или лампы вверх поднимаются теплые струи воздуха . Эти струи могут даже вращать небольшую бумажную вертушку, помещенную над лампой (рис. 64). Откуда берутся эти струи?

Часть воздуха, которая соприкасается с плитой или лампой, нагревается и вследствие этого расширяется. Ее плотность становится меньше, чем у окружающей (более холодной) среды, и под действием архимедовой (выталкивающей) силы она начинает подниматься вверх. Ее место внизу заполняет холодный воздух. Через некоторое время, прогревшись, этот слои воздуха также поднимается вверх, уступая место следующей порции воздуха, и т. д. Это и есть конвекция.

Точно так же переносится энергия и при нагревании жидкости. Чтобы заметить перемещение слоев жидкости при нагревании, на дно стеклянной колбы с водой опускают кристаллик красящего вещества (например, пер- манганата калия) и колбу ставят на огонь. Через некоторое время нагретые нижние слои воды, окрашенные перманганатом калия в фиолетовый цвет, начинают подниматься вверх (рис. 65). На их место приходит холодная вода, которая, прогревшись, также начинает подниматься вверх, и т. д. Постепенно вся вода оказывается нагретой. Именно благодаря конвекции происходит нагревание воздуха и в наших жилых комнатах (рис. 66).

Будут ли прогреваться воздух и жидкость, если их нагревать не снизу, а сверху? Обратимся к опыту. Поместив в пробирку кусочек льда и придавив его гайкой или металлической сеточкой, нальем туда же холодную воду. Нагревая ее сверху, можно довести верхние слои воды до кипения (рис. 67), между тем как нижние слои воды останутся холодными (и даже лед там не растает). Объясняется это тем, что при таком способе нагревания конвекции не происходит. Нагретым слоям воды некуда подниматься: ведь они и так уже наверху. Нижние же (холодные) слои так и останутся внизу. Правда, вода может прогреться благодаря теплопроводности, однако она очень низкая, так что пришлось бы долго ждать, пока это произошло бы.

Точно так же можно объяснить, почему не прогревается воздух, находящийся в пробирке, которая изображена на рисунке 68.

Горячим он становится лишь сверху, внизу же он остается холодным.

Опыты, изображенные на рисунках 67 и 68, показывают не только то, что жидкости и газы следует нагревать снизу, но и то, что у них очень плохая теплопроводность.

3. Лучистый теплообмен - это теплообмен, при котором энергия переносится различными лучами. Это могут быть солнечные лучи, а также лучи, испускаемые нагретыми телами, находящимися вокруг нас.

Так, например, сидя около камина или костра, мы чувствуем, как тепло передается от огня нашему телу. Однако причиной такой теплопередачи не может быть ни теплопроводность (которая у воздуха, находящегося между пламенем и телом, очень мала), ни конвекция (так как конвекционные потоки всегда направлены вверх). Здесь имеет место третий вид теплообмена-лучистый теплообмен.

Возьмем теплоприемник - прибор, представляющий собой плоскую круглую коробочку, одна сторона которой отполирована, как зеркало, а другая покрыта черной матовой краской. Внутри коробочки находится воздух, который может выходить через специальное отверстие. Соединим теплоприемник с жидкостным манометром (рис. 69) и поднесем к теплоприемнику электрическую плитку или кусок металла, нагретый до высокой температуры. Мы заметим, что столбик жидкости в манометре переместится. Но это означает, что воздух в теплоприемнике нагрелся и расширился. Нагревание воздуха в теплоприемнике можно объяснить лишь передачей ему энергии от нагретого тела. Каким образом передавалась эта энергия? Ясно, что не теплопроводностью, так как между нагретым телом и теплоприемником находится воздух, обладающий малой теплопроводностью. Не было здесь и конвекции: ведь теплоприемник расположен не над нагретым телом, а рядом с ним. Энергия в данном случае передавалась с помощью невидимых лучей, испускаемых нагретым телом. Эти лучи называюттепловым излучением .

С помощью теплового излучения (как видимого, так и невидимого) передается на Землю и солнечная энергия. Отличительной особенностью этого вида теплообмена является возможность осуществления через вакуум.

Тепловое излучение испускают все тела: электрическая плитка, лампа, земля, стакан с чаем, тело человека и т. д. Но у тел с низкой температурой оно слабое. И наоборот, чем выше температура тела, тем больше энергии оно передает путем излучения.

Когда излучение, распространяясь от тела-источника, достигает других тел, то часть его отражается, а часть ими поглощается. При поглощении энергия теплового излучения превращается во внутреннюю энергию тел, и они нагреваются.

Светлые и темные поверхности тел поглощают излучение по-разному. Если теплоприемник (см. рис. 69) повернуть к излучающему телу сначала черной, а затем блестящей поверхностью, то столбик жидкости в манометре в первом случае переместится на большее расстояние, чем во втором. Это показывает, что тело с темной поверхностью лучше поглощает энергию (и, следовательно, сильнее нагревается), чем тело со светлой или зеркальной поверхностью.

Тела с темной поверхностью не только лучше поглощают, но и лучше излучают энергию. Больше излучая, они и остывают быстрее. Например, в темном чайнике горячая вода остывает быстрее, чем в светлом.

Способность по-разному поглощать энергию излучения находит широкое применение в технике. Например, воздушные шары и крылья самолетов часто красят серебристой краской, чтобы они меньше нагревались солнечными лучами. Если же нужно использовать солнечную энергию (например, для нагревания некоторых приборов, установленных на искусственных спутниках), то эти устройства окрашивают в темный цвет.


??? 1. Перечислите виды теплообмена. 2. Что такое теплопроводность? У каких тел она лучше, у каких хуже? 3. Как вы думаете, о чем свидетельствует опыт, изображенный иа рисунке 70? 4. Что такое конвекция? 5. Почему жидкости и газы нагревают снизу? 6. Почему конвекция невозможна в твердых телах? 7. Какой вид теплообмена может осуществляться через вакуум ? 8. Как устроен теплоприемник? 9. Какие тела лучше и какие хуже поглощают энергию теплового излучения? 10. Почему в светлом чайнике горячая вода дольше не остывает, чем в темном?

Экспериментальные задания . 1. Находясь дома, на улице или в транспорте, проверьте, какие предметы на ощупь кажутся более холодными. Что вы можете сказать об их теплопроводности? Составьте на основе своих наблюдений ряд из названий материалов в порядке возрастания их теплопроводности. 2. Включите электрическую лампу и поднесите к ией (не касаясь лампы) руку. Что вы чувствуете? Какой из видов теплообмена происходит в данном случае? 3. Греет ли шуба? Для выяснения этого возьмите термометр и, заметив его показание, закутайте в шубу. Спустя полчаса выньте его. Изменились ли показания термометра ? Почему?

С.В. Громов, Н.А. Родина, Физика 8 класс

Отослано читателями из интернет-сайтов

Материалы с физики 8 класс, задание и ответы с физики по классам, тестирование онлайн , планы конспектов уроков по физике 8 класс

Содержание урока конспект урока опорный каркас презентация урока акселеративные методы интерактивные технологии Практика задачи и упражнения самопроверка практикумы, тренинги, кейсы, квесты домашние задания дискуссионные вопросы риторические вопросы от учеников Иллюстрации аудио-, видеоклипы и мультимедиа фотографии, картинки графики, таблицы, схемы юмор, анекдоты, приколы, комиксы притчи, поговорки, кроссворды, цитаты Дополнения рефераты статьи фишки для любознательных шпаргалки учебники основные и дополнительные словарь терминов прочие Совершенствование учебников и уроков исправление ошибок в учебнике обновление фрагмента в учебнике элементы новаторства на уроке замена устаревших знаний новыми Только для учителей идеальные уроки календарный план на год методические рекомендации программы обсуждения Интегрированные уроки

Передача тепла может осуществляться тремя способами:

1) теплопроводностью;

2) конвекцией;

3) излучением.

Все эти способы теплопередачи обусловлены, разностью темпе; ратур; тепло всегда переходит от более нагретого тела к менее нагретому. Передача тепла путем теплопроводности происходит в одном и том же теле там, где в нем существует перепад темпе­ратур или где соприкасаются два различных тела"с различной температурой. Как известно, передача тепла обусловливается движением молекул и атомов тела; поэтому распространение теп­ла теплопроводностью необходимо представить себе как следст­вие того, что более нагретые и поэтому колеблющиеся быстрее молекулы отдают часть своей энергии колебания соседним мо,- лекулам, колеблющимся медленнее. Таким образом происходит распространение тепла путем теплопроводности. Кроме того, в переносе тепла участвуют Электроны. Передача тепла путем теп­лопроводности зависит от величины температурного перепада, геометрических размеров и физических свойств тела. Эта зависи­мость может быть записана в удобной математической форме. Говоря о теплопроводности, следует различать установившуюся (стационарную) и неустановившуюся (нестационарную) прово­димости тепла. Установившийся тепловой поток проходит через тело, температура которого в каждой точке не изменяется со вре: менем, т. е. через такое тело, температурное поле которого не зависит от времени. В этом случае через определенное сечение тела за один час проходит всегда неизменное -количество тепла. Если же у рассматриваемого тела температура изменяется повсе; местно или в отдельных его частях, то это вызывает соответству­ющее изменение теплового потока: он становится нестационар^- ным, т. е. зависимым от времени. При этом изменении темпера; тур изменяется и теплосодержание тела. Количество тепла, кото­рое соответствует этому изменению теплосодержания, соответст­вует и отклонению от равномерного теплового потока - Далее мы увидим, что это изменение теплосодержания тела со временем вследствие соответствующего изменения температурного поля с^ь щественно усложняет математическое описание теплопроводно - 2* сти. К счастью, изменяющееся во времени температурное поле на практике встречается лишь в регенераторах и во всех процессах нагревания. Для преобладающей же части технических процес­сов передачи тепла теплопроводностью характерны установивши­еся тепловые потоки, которые наблюдаются при достижении ста­ционарного состояния. В этом случае математическое описание явления очень просто. Часто неустановившийся тепловой поток можно определить приближенно, прибегая к раздельному расче­ту процесса аккумуляции и установившегося теплового потока.

Передача тепла конвекцией мокет происходить лишь в газах и жидкостях. Она осуществляется следующим образом: к по­верхности нагрева поступают все новые и новые частички газа или жидкости, которые отдают ей свое тепло. Следовательно, теп­ло к поверхности нагрева переносится механическим путем (кон­вейерное перемещение). Естественно, что теплопередача конвек­цией происходит тем интенсивнее, чем больше скорость движе­ния частичек жидкости или газа. Если это движение поддержи­вается искусственно, например мешалкой или путем создания перепада давления в трубопроводах, то это соответствует искус­ственной, или вынужденной, конвекции. Напротив, движение, обу­словленное исключительно внутренними причинами, т. е. глав­ным образом тепловым расширением и связанным с ним появ­лением подъемной силы, называют свободной конвекцией.

Передача тепла излучением происходит в том случае, когда две поверхности, характеризуемые различной температурой, рас­полагаются в пространстве одна против другой и между ними на­ходится прозрачная для излучения среда. Для лучистого потока прозрачными являются «пустое» пространство и сухой воздух. Непрозрачными являются большинство жидкостей и горючих га­зов, а также различные газы в некоторых интервалах длин волн, как напримёр, СОг и водяной пар. Излучение этих газов имеет огромное значение в технике. Оно будет рассмотрено более об­стоятельно в дальнейшем.

Коэффициент теплоотдачи относится к важнейшим понятиям в области теплопередачи. Он равен такому количеству тепла, ко­торое передается теплоносителем одному квадратному метру по­верхности за один час при разности температур в 1°. Размерность коэффициента теплоотдачи: ккал/м2*час° С. Количество тепла, переданное поверхности Р м2 за т часов при разности температур между поверхностью нагрева и теплоносителем (^1-^)°С,

<2 == а(/х - 12)Р т ккал. | 0)

Раньше считали, что коэффициент теплоотдачи, подобно коэф­фициенту теплопроводности, является чисто физическим свойст­

Вом тела и поэтому его называли «внешним коэффициентом теп­лопроводности». В настоящее время установлено, что коэффици­ент теплоотдачи зависит как от физических свойств (удельной теплоемкости, коэффициента теплопроводности, вязкости), так и от состояния потока теплоносителя. Таким образом, поскольку коэффициеит теплоотдачи зависит от состояния потока (вихре - образование, краевые влияния и т. д.), приходится считаться с фактом некоторой неустойчивости определяющих его условий. Вследствие этого, как будет показано ниже, для определения ко­эффициента теплоотдачи невозможно дать совершенно точных формул. Тем не менее благодаря сочетанию многочисленных ис­следований с теоретическими изысканиями (особенно с теорией подобия) эта область изучена настолько глубоко, что в определе­нии коэффициента теплоотдачи в общем случае достигнута до­статочная для практических целей точность, которая уступает лишь точности формул, применимых для частных случаев, играю­щих в технике наиболее важную роль (например, для одиночной трубы, насадки регенератора, газа, воды).