Types de transfert de chaleur : coefficient de transfert de chaleur. Trois principaux types de transfert de chaleur

L'image montre trois méthodes de transfert de chaleur : conductivité thermique, rayonnement et convection. Par conduction thermique à travers le fond et les parois de la marmite, l'énergie interne de la flamme est convertie en énergie interne du ragoût touristique. Par rayonnement - dans l’énergie interne des paumes et des autres corps du touriste. Et par convection - dans l'énergie interne de l'air au-dessus du feu.

Transfert de chaleur par conductivité thermique. De nombreuses expériences montrent : La conductivité thermique des différentes substances est différente : dans les mêmes conditions, elles transfèrent la chaleur à des vitesses différentes.

Faisons une expérience (voir figure). Nous renforçons deux fils, par exemple en cuivre et en acier, de même longueur et épaisseur, pour que leurs extrémités tombent dans la flamme de la bougie. Nous verrons que les petits clous collés avec de la cire à partir du fil de cuivre commenceront à tomber plus tôt. Cela signifie que la chaleur se propage plus rapidement à travers le fil de cuivre qu’à travers le fil d’acier.

Les corps et substances capables de transférer de la chaleur à grande vitesse sont appelés conducteurs de chaleur. Ceux-ci incluent principalement tous les métaux. La plupart des gaz transfèrent la chaleur très lentement. La conductivité thermique des liquides (sauf métaux liquides) occupe une position intermédiaire entre la conductivité thermique des solides et des gaz. Les corps et substances qui transfèrent de la chaleur à faible vitesse sont appelés isolants thermiques. Il s'agit par exemple de la mousse de polystyrène, du caoutchouc mousse, du bois, de la fourrure, du coton, etc.

Transfert de chaleur par convection. Sur la photo, vous voyez l’ombre d’une main avec une allumette allumée lorsqu’elle est éclairée par une lampe de poche. Les ombres ondulées au-dessus de la flamme créent des courants d’air chaud ascendants. C'est un exemple convection. C'est le nom du phénomène d'apparition de jets ou d'écoulements dans des liquides et gaz chauffés ou refroidis (où agit la force d'Archimède). De plus, d'un point de vue thermodynamique La convection est une méthode d'échange thermique dans laquelle l'énergie interne est transférée par des flux de substances inégalement chauffées.

Le transfert de chaleur par convection est fréquent autour de nous. Par exemple, les radiateurs de chauffage sont situés près du sol, mais grâce à la convection, la chaleur se propage sur toute la hauteur de la pièce. Des courants convectifs se produisent également dans l’atmosphère, créant des vents et des nuages, à l’intérieur des casseroles qui chauffent sur la cuisinière, etc.

Transfert de chaleur par rayonnement. Il est connu que les corps plus chauds que leur environnement sont capables de rayonner de l’énergie. Passons à l'expérience (voir figure). Chauffons un ongle dans une flamme et rapprochons-le de la paume sans le toucher - la paume ressentira la chaleur. Lâchons notre autre main et plaçons nos paumes l'une à côté de l'autre. On sentira que la paume qui était proche de l’ongle chaud est plus chaude que la seconde. C’est-à-dire que la chaleur est transférée de l’ongle à la paume à travers une couche d’air.

Cependant Lors d'un échange de chaleur par rayonnement, l'énergie peut être transférée sans la participation de la matière. Par exemple, l’énergie du Soleil atteint notre planète, parcourant d’énormes distances à travers le vide de l’espace, dans lequel il n’y a aucune matière.

Résumons ce que nous avons appris dans cette section. À transfert de chaleur par convection l'énergie est transférée par des jets ou des flux de matière inégalement chauffée. À transfert de chaleur par conductivité thermique l'énergie est transférée à travers une couche de matière, mais la matière elle-même ne bouge pas. À transfert de chaleur par rayonnement l'énergie est transférée sans la participation de la matière.

Le transfert de chaleur, ou théorie du transfert de chaleur, est l'étude de la répartition de la chaleur dans divers milieux et du transfert de chaleur d'un corps plus chauffé à un corps moins chauffé. Il n'y a qu'une seule direction de flux de chaleur : des corps chauds vers les corps froids.

Tous les processus se produisant dans les chaudières, les turbines, les condenseurs et les appareils de cuisson thermique s'accompagnent d'un échange de chaleur.

Il existe trois principales méthodes de transfert de chaleur : la conduction, la convection et le rayonnement.

La conductivité thermique est le transfert de chaleur (énergie thermique) par contact direct de particules individuelles d'un corps ou de corps individuels ayant des températures différentes. L'essence du processus est que les plus petites particules d'un corps avec une température plus élevée ont une plus grande énergie cinétique et, au contact de particules avec une température plus basse, dégagent leur énergie, et ces dernières la perçoivent. Dans ce cas, aucun transfert de masse de matière ne se produit. Sous sa forme pure, la conductivité thermique ne peut être observée que dans les solides.

La convection est le transfert de chaleur par un flux de liquide ou de gaz dû au transfert de masse de matière. Chaque élément du volume d'un milieu en mouvement transfère de la chaleur au contact d'une surface chauffée. Dans ce cas, les particules les plus chauffées entrent en collision avec les particules moins chauffées et leur cèdent une partie de leur énergie par conductivité thermique. Le transfert de chaleur par convection combiné à la conduction est appelé convection. Il existe deux types de convection : libre (naturelle), qui se produit en raison de la différence de densité du milieu, et forcée, qui se produit sous l'influence de ventilateurs, de pompes, etc.

Le rayonnement est le processus de transfert de chaleur d'un corps à un autre sous forme d'énergie rayonnante qui, tombant sur d'autres corps, est partiellement ou totalement absorbée par ces corps et provoque leur échauffement. Dans ce cas, la présence d’un environnement physique n’est pas nécessaire. Le rayonnement est de nature électromagnétique et dans le vide, l’énergie du rayonnement se propage à la vitesse de la lumière.

Dans des conditions réelles, un échange thermique complexe a lieu, dans lequel la chaleur est transférée simultanément par les trois méthodes.

L'échange de chaleur entre les corps peut se produire dans des conditions thermiques stables ou instables. Dans un régime thermique stable ou stationnaire, la température en chaque point du corps reste inchangée au fil du temps.

Dans un régime thermique instable ou non stationnaire, la température en chaque point du corps change avec le temps. Les processus de chauffage et de refroidissement des produits dans les appareils de chauffage et les chambres de réfrigération, respectivement, se déroulent dans des conditions instables.

Un échange thermique convectif se produit entre la paroi de la cuve et le liquide (gaz) lavant cette paroi lorsqu'ils sont en contact direct.

Selon la longueur des ondes émises, différentes propriétés de l'énergie rayonnante apparaissent. A cet égard, on distingue les rayons : rayons X, ultraviolets, lumière, rayons gamma, infrarouges, etc. Les rayons thermiques (infrarouges) sont d'une grande importance dans le transfert de chaleur.

Tous les corps à des températures autres que zéro ont la capacité d'émettre, d'absorber et de réfléchir de l'énergie rayonnante. Un corps peut également transmettre à travers lui des rayons provenant d'un autre corps.

L'énergie rayonnante incidente sur un corps est partiellement absorbée par celui-ci, partiellement réfléchie par sa surface et partiellement transmise par le corps à la surface d'un autre corps.

Pour réduire les pertes de chaleur des surfaces latérales des appareils de chauffage dans l'environnement, des écrans en papier d'aluminium sont utilisés entre les boîtiers intérieurs et extérieurs des fours, boulangeries, fours de boulangerie et autres équipements. De ce fait, l’intensité de l’échange thermique radiant entre ces surfaces diminue de (n+1) fois (n est le nombre d’écrans). Les écrans contribuent à augmenter l'efficacité de l'appareil de chauffage et à réduire la température à la surface de l'appareil à des valeurs acceptables selon les normes standards.

Le transfert de chaleur complexe est une combinaison de processus simultanés de conductivité thermique, de transfert de chaleur par convection et de rayonnement thermique. Par exemple, si l’on considère le chauffage de l’eau dans une casserole posée sur une cuisinière électrique, le transfert de chaleur s’effectue par conduction, rayonnement et convection.

Lors du chauffage de l'eau dans des chaudières avec un liquide de refroidissement intermédiaire, la chaleur est transférée de la vapeur de la chemise vapeur-eau à l'eau, c'est-à-dire que le transfert de chaleur se produit à travers la paroi de la chaudière. L'intensité d'un tel transfert de chaleur à travers le mur est estimée par le coefficient de transfert de chaleur.

Le coefficient de transfert de chaleur est la quantité de chaleur transférée d'un milieu à un autre à travers une unité de surface murale par unité de temps lorsque la différence de température entre les milieux est d'un degré.

Les murs eux-mêmes peuvent être monocouches, doubles ou multicouches, mais l'essence du phénomène physique du transfert de chaleur reste la même. Lorsque la chaleur est transférée d'un milieu chauffé, par exemple dans un four, la chaleur est transférée à la surface de la paroi intérieure par convection, puis par conduction thermique à travers toutes les couches de la paroi et depuis la dernière surface extérieure de la paroi - par convection vers un autre milieu (air) dont la température est inférieure à la température du fluide caloporteur.

MÉTHODES DE TRANSFERT DE CHALEUR.

Lors du séchage thermique, on distingue deux processus :

1) évaporation de l'humidité à éliminer ;

2) élimination de la vapeur formée de la surface du matériau.

Pour évaporer 1 kg d’humidité, une très certaine quantité de chaleur doit être fournie à la zone de vaporisation. Le transfert de chaleur constitue donc la base des processus opérationnels se déroulant dans les installations de séchage. Dans la pratique, les trois principales formes de transfert de chaleur sont réalisées dans une plus ou moins grande mesure : 1) conductivité thermique ; 2) convection ; 3) rayonnement.

De plus, dans de nombreuses installations de séchage, un type particulier de transfert de chaleur revêt une grande importance, à savoir le transfert de chaleur par contact de courte durée, que l'on observe par exemple dans les séchoirs à rouleaux, sur les grilles chauffantes des séchoirs sous vide et dans les tambours. séchoirs lorsque le matériau froid interagit avec les éléments chauffés des appareils internes.

L'approche des problèmes de transfert de chaleur dans la technologie de séchage diffère de celle utilisée dans d'autres branches du génie mécanique. En construction mécanique, la forme et les dimensions des éléments caloporteurs et récepteurs de chaleur sont dans la plupart des cas bien connues (tuyaux, plaques, etc.). Dans les installations de séchage, la forme géométrique de la plupart des produits agricoles soumis au séchage est extrêmement diversifiée, il est donc difficile de la décrire avec un degré de précision suffisant à l'aide de dépendances analytiques.

Une autre difficulté réside dans le fait que la zone d’évaporation de l’humidité dans le matériau est en mouvement constant et dépend des conditions du processus. C'est pour cette raison que dans les installations de séchage, plus que dans tout autre domaine technologique, les études expérimentales constituent la base du calcul et de la conception des appareils.

Les lois fondamentales du transfert de chaleur décrites ci-dessous seront présentées dans la mesure nécessaire pour une compréhension complète des processus se produisant dans les installations de séchage agricole.

Conductivité thermique comme méthode de transfert de chaleur

Le transfert de chaleur par conduction se produit au sein des solides, des liquides stationnaires et des gaz en raison du transfert d'énergie sous forme de chaleur d'une particule élémentaire à une autre. La chaleur est transférée d'une zone à haute température vers une zone à température plus basse. En régime permanent, la densité du flux thermique entre deux surfaces parallèles du corps dépend de la différence de température, de l'épaisseur de la paroi et de la constante physique thermique - conductivité thermique K (Fig. 3.13) :

Riz. 3.13. Conductivité thermique d'un mur plat

q – densité de flux thermique, kcal/(m2 h) ;

λ – conductivité thermique, kcal/(m·h·ºС) ;

U1, U2 – température sur les première et deuxième surfaces, ºС ;

s – épaisseur de paroi, m

Dans le cas d'un corps homogène délimité par des surfaces planes, la température entre elles en régime thermique stationnaire diminue selon une loi linéaire. Pour

corps de structure complexe, le processus dans une couche d'épaisseur infinitésimale ds est décrit par une équation de la forme

où dυ est la différence de température dans une couche d'épaisseur infinitésimale, °C. Le signe moins dans l’équation indique que le flux de chaleur est dirigé vers une température plus basse.

Afin de tirer des conclusions sur le processus dans le corps entier sur la base de l'examen du processus dans une couche d'épaisseur infinitésimale, il est nécessaire de procéder à une intégration sous certaines conditions aux limites.

Convection (méthode de transfert de chaleur)

Le transfert de chaleur par convection comprend essentiellement deux processus (Fig. 3.17) :

1) transfert de chaleur par conductivité thermique depuis la surface d'un corps solide à travers une couche limite laminaire jusqu'au voisinage du cœur d'un écoulement turbulent ;

2) transfert de chaleur par transfert turbulent depuis la couche limite laminaire vers le cœur de l'écoulement turbulent.

Le séchage est caractérisé par le sens inverse du flux de chaleur : de l'agent de séchage vers la surface du solide. L'équation de transfert de chaleur relie la différence de température entre le flux et la surface du corps avec la densité du flux de chaleur :

où est le coefficient de transfert de chaleur, kcal/(m2 h °C) ;

UL;U0 - température sur la paroi et au cœur du flux, °C.

Riz. 3.17. Profil de température lors du transfert de chaleur d'un écoulement turbulent à la surface d'un corps solide à travers une couche limite laminaire : UL - température dans le noyau d'écoulement U0 - température à la surface du corps ;

Pour comprendre les processus de transfert de chaleur par convection, il est nécessaire de distinguer les processus élémentaires (écoulement autour de corps individuels) des processus complexes (échange thermique dans une couche de matériaux en vrac, flux inverse et direct, etc.).

La couche limite laminaire, le noyau d'écoulement turbulent, le transfert de chaleur par conductivité thermique et mélange turbulent, ainsi que le transfert de masse dans la couche limite dans les sens avant et arrière, sont interconnectés et ont divers effets les uns sur les autres. Ces processus peuvent être décrits à l’aide d’équations d’équilibre pour les échanges d’énergie et de masse. Pour la description, il convient d'introduire des critères adimensionnels mettant en relation de nombreux paramètres physiques et technologiques. Grâce à de tels critères, les dépendances physiques réelles peuvent être décrites plus simplement et plus clairement, tout en abandonnant l'utilisation directe de paramètres physiques caractérisant le processus.

Transfert de chaleur par rayonnement

Le transfert de chaleur par rayonnement (par exemple lors du chauffage infrarouge) se produit lorsque de l'énergie est transférée. vibrations électromagnétiques d'un corps à l'autre. Dans ce cas, ni un solide, ni un liquide, ni un porteur gazeux ne participent au transfert d'énergie par rayonnement. Conformément à la loi de Stefan-Boltzmann, l'énergie émise par un corps dans l'espace environnant est proportionnelle à sa température (en degrés Kelvin) à la puissance quatre :

q - densité de flux d'énergie de rayonnement, kaal/(m2 x) ;

C est l'émissivité du corps ;

T - température, K.

Si l'on rapproche deux corps de températures différentes (Fig. 3.21), alors la différence entre l'énergie absorbée et émise de chacun de ces corps est estimée par l'équation

Q = A1C12[( T 1 / 100)4 – (T2 / 100)4] = A2C21[( T 1 / 100)4 – (T2 / 100)4],

Où Q- flux thermique d'énergie de rayonnement, kcal/h ; A1, A2 - surface rayonnante des corps 1 et 2 ; C12, C21 - coefficients d'émissivité, kcal/[m2-h (K/100)4]. Les coefficients C12 ou C21, basés sur la représentation des coefficients d'émissivité des corps individuels, sont obtenus à partir des équations suivantes :

1/C12 = 1/C1 + A1/A2 (1/C2 – 1/Cs) ;

1/C21 = 1/C2 + A2/A1 (1/C1 – 1/Cs) ;

Riz. 3.22. Densité de flux d'anergie de rayonnement entre des corps chauffés à différentes températures (à C = 4,0)

Graphique 3.23. Répartition de la température dans une plaque en céramique lorsqu'elle est chauffée par un flux de rayons infrarouges (selon les données de travail)

où Cs est l'émissivité du corps noir ; Cs= 4,96 kcal/[m2-h (K/100)4].

Les tableaux donnent souvent la valeur de la caractéristique relative (tableau 3.10)

En figue. La figure 3.22 montre la dépendance de la densité de flux d'énergie du rayonnement sur la température υ1 et υ2 dans l'hypothèse que C12 = C21 = 4 kcal/[m2-h (K/100)4]. Il ressort clairement des graphiques qu'en cas de grandes différences de température, l'énergie du rayonnement ne dépend que de la température du corps le plus chaud.

Le processus d'ajout de chaleur par rayonnement dans les installations de séchage est particulièrement intéressant, en raison de la possibilité de pénétration de l'énergie de rayonnement dans divers environnements. La profondeur de pénétration des flux thermiques lors du rayonnement dépend du type de matériau et du type de rayonnement. Pour les corps capillaires-poreux d'origine organique, cette profondeur est de 0,1 à 2 mm.

Étant donné que la chaleur nécessaire est partiellement libérée à l'intérieur du corps, et pas seulement à sa surface, dans certaines conditions, la densité du flux thermique à la surface peut être multipliée par plusieurs.

Tableau 3.10 Degré de noirceur d'une substance selon Schmidt

SUBSTANCE	Température, °C	Degré d'émissivité ε = C/ Cs
Or, argent, cuivre poli
poli, légèrement oxydé
poncé
noirci (oxydé)
finement poli
hautement oxydé
Argile cuite
Glace lisse, eau
Glace, surface rugueuse

Selon A.V. Lykov, la densité de flux énergétique, par exemple, peut être augmentée de 750 kcal/(m2-h) avec convection à 22 500 kcal/(m2-h) avec rayonnement. En figue. La figure 3.23 présente une représentation graphique du processus de chauffage d'un corps en utilisant l'énergie du rayonnement. Le graphique montre clairement que l'énergie thermique n'est initialement libérée qu'à l'intérieur du corps, sinon la température maximale devrait être à la surface du corps.

Contacter l'échangeur de chaleur

L'échange thermique par contact est observé lorsque deux corps, ayant des températures différentes au moment initial, entrent en contact l'un avec l'autre, de sorte que la température de ces corps tend vers une température moyenne commune. En pratique, de tels transferts thermiques peuvent se retrouver sur des surfaces chauffées ou chauffées lors du coulage, de la vibration ou du glissement du matériau séché.

Au premier instant après le contact de deux corps ayant initialement des températures différentes, une température moyenne, notée U0, s'établit à la surface de leur contact. Cette quantité est appelée activité thermique du corps. Où:

La valeur moyenne du coefficient de transfert de chaleur réduit, référée. à l'intervalle de temps t et à la différence de température U0-U∞ (où - U∞ est la température initiale du corps froid), calculée par la formule.

Avec un contact à court terme, la valeur moyenne du coefficient de transfert thermique réduit peut être assez élevée.

Transfert de chaleur lors du chauffage dans un champ électromagnétique alternatif.

Si deux plaques métalliques, séparées l'une de l'autre par une certaine distance, sont placées dans un champ électromagnétique alternatif, alors un courant alternatif apparaîtra entre elles, en fonction de l'intensité du champ et de la capacité.

Graphique 3.25. Modification de la constante diélectrique b et de la tangente de perte diélectrique tgδ en fonction de la fréquence F champ électromagnétique alternatif et taux d'humidité du bois de pin (selon les travaux)

Si un matériau est placé entre les plaques du condensateur, le courant capacitif augmentera proportionnellement à la constante diélectrique ε du matériau. L'eau contenue dans les produits agricoles, par rapport à leur masse sèche, a une constante diélectrique élevée (à une température de 0°C ε = 80), donc la constante e peut être utilisée pour mesurer la teneur en humidité du matériau.

Le courant purement capacitif ne provoque pas d’échauffement du matériau humide. Les courants déphasés à l’intérieur du matériau ont également une composante active. La grandeur exprimée par le rapport des composants actifs et capacitifs est appelée tangente de perte diélectrique :

IR - composante active du courant, A ; IC - composante capacitive du courant, A ; U - tension effective, V ; R - résistance active, Ohm ; w- fréquence circulaire, 1/s ; C - capacité, F ; ε - constante diélectrique ; F- fréquence Hz.

Le dégagement de chaleur dans le matériau est déterminé uniquement par la composante active du courant :

Si l'on exprime la tension en termes d'intensité de champ E (tension par centimètre de distance séparant les plaques), on peut obtenir une expression caractérisant la puissance de dégagement thermique volumétrique :

Q - dégagement de chaleur, kcal/h ; V - volume du condensateur, cm3 ; E - intensité du champ électrique, V/cm.

Les pertes déterminées par tgδ et la constante diélectrique e dépendent en grande partie de la teneur en humidité du matériau et de la fréquence des changements du champ électromagnétique (Fig. 3.25). Même avec une teneur en humidité relativement faible, les deux paramètres mentionnés augmentent considérablement. Grâce à cela, les conditions nécessaires sont créées pour le séchage dit diélectrique. Dans le même temps, la production de chaleur devient particulièrement importante là où l’humidité est la plus contenue. En conséquence, l’humidité s’évapore plus rapidement dans de tels endroits. De plus, dans ce cas, le matériau est d'abord déshydraté de l'intérieur, ce qui est d'une grande importance pour éviter sa destruction due aux contraintes de retrait (lors du séchage du bois), observées avec les méthodes de séchage conventionnelles, lorsque le matériau sèche d'abord de l'extérieur puis de l'Intérieur.

A pression atmosphérique, la température à l'intérieur du matériau humide s'élève jusqu'à environ 100°C et reste constante à ce niveau. Si l’humidité s’évapore en si grande quantité que le matériau se retrouve dans la zone hygroscopique, la température augmentera encore. En conséquence, le noyau du matériau peut se carboniser tandis que ses couches externes restent humides.

Le séchage diélectrique ou à haute fréquence n'est pas très courant, non seulement en raison des investissements importants et des coûts d'un service hautement qualifié, mais également en raison de la forte intensité énergétique du processus. L'énergie thermique nécessaire à l'évaporation de l'humidité est obtenue grâce à la conversion de l'énergie électrique, et la conversion d'énergie est associée à des pertes notables.

>>Physique : Types de transfert de chaleur

L'énergie interne d'un corps peut être modifiée de deux manières : par le travail et par l'échange de chaleur. L'échange de chaleur peut s'effectuer de différentes manières. Il existe trois types de transfert de chaleur : la conduction, la convection et le transfert de chaleur radiante.
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1. Conductivité thermique- il s'agit d'un type d'échange thermique dans lequel il y a un transfert direct d'énergie des particules d'une partie du corps la plus chauffée vers les particules de sa partie la moins chauffée. Avec la conductivité thermique, la substance elle-même ne se déplace pas le long du corps - seule l'énergie est transférée.

Passons à l'expérience. Fixons un fil de cuivre épais dans un trépied et fixons plusieurs clous au fil avec de la cire (ou de la pâte à modeler) (Fig. 63).

Lorsque l'extrémité libre du fil est chauffée à la flamme d'une lampe à alcool, la cire fond et les plots tombent progressivement du fil. De plus, ceux qui sont les plus proches de la flamme disparaissent d'abord, puis tous les autres à leur tour. Ceci s’explique comme suit.

Les métaux, notamment l'argent et le cuivre, ont la plus grande conductivité thermique. Les liquides (à l'exception des métaux en fusion) ont une faible conductivité thermique. Pour les gaz, c'est encore moins, car leurs molécules sont relativement éloignées les unes des autres et le transfert d'énergie d'une particule à l'autre est difficile.

Si l'on compare la conductivité thermique de diverses substances avec la conductivité thermique du cuivre, il s'avère que pour le fer, elle est environ 5 fois inférieure, pour l'eau - 658 fois inférieure, pour la brique poreuse - 840 fois inférieure, pour la neige fraîchement tombée - presque 4 000 fois moins, pour le coton, la sciure et la laine de mouton - près de 10 000 fois moins, et dans l'air, c'est environ 20 000 fois moins.

La mauvaise conductivité thermique de la laine, du duvet et de la fourrure (due à la présence d’air entre leurs fibres) permet au corps de l’animal de retenir l’énergie générée par le corps et ainsi de se protéger du refroidissement. La couche de graisse, que l'on retrouve chez la sauvagine, les baleines, les morses, les phoques et certains autres animaux, protège également du froid.

2. Convection est un échange thermique en milieu liquide et gazeux réalisé par des flux (ou jets) de matière.
Il est par exemple de notoriété publique que les liquides et les gaz sont généralement chauffés par le bas. Une bouilloire d'eau est placée sur le feu, des radiateurs de chauffage sont placés sous les fenêtres près du sol. Est-ce une coïncidence ?

En plaçant notre main sur un poêle chaud ou sur une lampe allumée, nous sentirons que des courants d'air chaud s'élèvent du poêle ou de la lampe. Ces jets peuvent même faire tourner un petit moulinet en papier placé au-dessus de la lampe (Fig. 64). D'où viennent ces jets ?

La partie de l'air qui entre en contact avec le poêle ou la lampe se réchauffe et se dilate par conséquent. Sa densité devient inférieure à celle du milieu environnant (plus froid) et, sous l'influence de la force archimédienne (flottante), elle commence à s'élever. L'air froid remplit sa place en dessous. Après un certain temps, après s'être réchauffée, cette couche d'air s'élève également, laissant place à la portion d'air suivante, etc. C'est la convection.

L'énergie est transférée de la même manière lorsqu'un liquide est chauffé. Pour remarquer le mouvement des couches de liquide lorsqu'il est chauffé, un cristal d'une substance colorante (par exemple, le permanganate de potassium) est abaissé au fond d'un flacon en verre contenant de l'eau et le ballon est mis au feu. Après un certain temps, les couches d'eau inférieures chauffées, colorées en violet par le permanganate de potassium, commencent à monter (Fig. 65). A leur place vient de l'eau froide qui, après s'être réchauffée, commence également à monter, etc. Peu à peu, toute l'eau se réchauffe. C'est grâce à la convection que l'air de nos pièces à vivre est chauffé (Fig. 66).

L'air et le liquide se réchaufferont-ils s'ils ne sont pas chauffés par le bas, mais par le haut ? Passons à l'expérience. Placez un morceau de glace dans le tube à essai, appuyez dessus avec un écrou ou un treillis métallique et versez-y de l'eau froide. En le chauffant par le haut, vous pouvez porter à ébullition les couches d'eau supérieures (Fig. 67), tandis que les couches d'eau inférieures resteront froides (et même la glace n'y fondra pas). Cela s'explique par le fait qu'avec ce mode de chauffage, la convection ne se produit pas. Les couches d'eau chauffées n'ont nulle part où monter : après tout, elles sont déjà au sommet. Les couches inférieures (froides) resteront en dessous. Certes, l'eau peut se réchauffer en raison de la conductivité thermique, mais elle est très faible, il faudra donc attendre longtemps pour que cela se produise.

De la même manière, on peut expliquer pourquoi l'air dans le tube à essai, représenté sur la figure 68, ne se réchauffe pas.

Il ne fait chaud qu'en haut, mais en bas il reste froid.

Les expériences représentées dans les figures 67 et 68 montrent non seulement que les liquides et les gaz doivent être chauffés par le bas, mais aussi qu'ils ont une très mauvaise conductivité thermique.

3. Transfert de chaleur radiante- Il s'agit d'un échange de chaleur dans lequel l'énergie est transférée par divers rayons. Il peut s'agir des rayons du soleil, ainsi que des rayons émis par les corps chauffés qui nous entourent.

Ainsi, par exemple, assis près d'une cheminée ou d'un feu, nous ressentons comment la chaleur est transférée du feu à notre corps. Cependant, la raison d'un tel transfert de chaleur ne peut être ni la conductivité thermique (qui est très faible pour l'air entre la flamme et le corps), ni la convection (puisque les flux de convection sont toujours dirigés vers le haut). Ici, le troisième type d’échange thermique a lieu : l’échange thermique radiant.

Prenons dissipateur de chaleur- un appareil qui est une boîte ronde et plate dont un côté est poli comme un miroir et l'autre est recouvert de peinture noire mate. À l'intérieur de la boîte, il y a de l'air qui peut s'échapper par un trou spécial. Relions le récepteur de chaleur à un manomètre de liquide (Fig. 69) et amenons une plaque chauffante électrique ou un morceau de métal chauffé à haute température au récepteur de chaleur. Nous remarquerons que la colonne de liquide dans le manomètre va bouger. Mais cela signifie que l’air dans le dissipateur thermique s’est réchauffé et s’est dilaté. Le chauffage de l'air dans un récepteur de chaleur ne peut s'expliquer que par le transfert d'énergie d'un corps chauffé. Comment cette énergie a-t-elle été transmise ? Il est clair qu'il ne s'agit pas de conductivité thermique, car entre le corps chauffé et le dissipateur thermique se trouve de l'air à faible conductivité thermique. Il n'y avait pas non plus de convection ici : après tout, le dissipateur thermique n'est pas situé au-dessus du corps chauffé, mais à côté de lui. Dans ce cas, l'énergie était transmise à l'aide de rayons invisibles émis par un corps chauffé. Ces rayons sont appelés Radiation thermique.

Grâce au rayonnement thermique (visible et invisible), l’énergie solaire est également transmise à la Terre. Une particularité de ce type d’échange thermique est la possibilité de mise en œuvre sous vide.

Le rayonnement thermique est émis par tous les corps : une cuisinière électrique, une lampe, la terre, un verre de thé, le corps humain, etc. Mais pour les corps à basses températures, il est faible. À l’inverse, plus la température du corps est élevée, plus il transmet d’énergie par rayonnement.

Lorsque le rayonnement, se propageant à partir d'un corps source, atteint d'autres corps, une partie est réfléchie et une partie est absorbée par eux. Lorsqu'elle est absorbée, l'énergie du rayonnement thermique est convertie en énergie interne des corps et ceux-ci s'échauffent.

Les surfaces claires et sombres des corps absorbent les rayonnements différemment. Si le récepteur de chaleur (voir Fig. 69) est tourné vers le corps rayonnant, d'abord avec une surface noire puis avec une surface brillante, alors la colonne de liquide dans le manomètre dans le premier cas se déplacera sur une plus grande distance que dans le second. . Cela montre qu'un corps avec une surface sombre absorbe mieux l'énergie (et se réchauffe donc davantage) qu'un corps avec une surface claire ou semblable à un miroir.

Les corps avec une surface sombre non seulement absorbent mieux l'énergie, mais en émettent également mieux. En émettant davantage, ils refroidissent plus vite. Par exemple, l’eau chaude refroidit plus rapidement dans une bouilloire sombre que dans une bouilloire claire.

La capacité d’absorber l’énergie du rayonnement de différentes manières est largement utilisée en technologie. Par exemple, les ballons et les ailes des avions sont souvent peints en argent pour réduire la chaleur des rayons du soleil. S'il est nécessaire d'utiliser l'énergie solaire (par exemple, pour chauffer certains appareils installés sur des satellites artificiels), alors ces appareils sont peints en noir.


??? 1. Énumérez les types de transfert de chaleur. 2. Qu'est-ce que la conductivité thermique ? Quels corps ont la meilleure situation, lesquels ont la pire situation ? 3. À votre avis, qu’indique l’expérience illustrée à la figure 70 ? 4. Qu’est-ce que la convection ? 5. Pourquoi les liquides et les gaz sont-ils chauffés par le bas ? 6. Pourquoi la convection est-elle impossible dans les solides ? 7. Quel type d’échange thermique peut être réalisé sous vide ? 8. Comment le dissipateur thermique est-il construit ? 9. Quels corps absorbent mieux l'énergie du rayonnement thermique et lesquels absorbent moins bien ? 10. Pourquoi l'eau chaude met-elle plus de temps à refroidir dans une bouilloire claire que dans une bouilloire sombre ?

Tâches expérimentales . 1. À la maison, dans la rue ou dans les transports, vérifiez quels objets semblent les plus froids au toucher. Que pouvez-vous dire de leur conductivité thermique ? À partir de vos observations, faites une série de noms de matériaux par ordre croissant de leur conductivité thermique. 2. Allumez la lampe électrique et amenez votre main dessus (sans toucher la lampe). Que ressentez vous? Quel type d’échange thermique se produit dans ce cas ? 3. Le manteau de fourrure tient-il chaud ? Pour le savoir, prenez un thermomètre et, remarquant sa lecture, enveloppez-le dans un manteau de fourrure. Au bout d'une demi-heure, sortez-le. La lecture du thermomètre a-t-elle changé ? Pourquoi?

S.V. Gromov, N.A. Rodina, Physique 8e année

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Le transfert de chaleur peut s'effectuer de trois manières :

1) conductivité thermique ;

2) convection ;

3) rayonnement.

Toutes ces méthodes de transfert de chaleur sont déterminées par la différence de température ; rapport; La chaleur se déplace toujours d’un corps plus chauffé vers un corps moins chauffé. Le transfert de chaleur par conductivité thermique se produit dans le même corps lorsqu'il existe une différence de température ou lorsque deux corps différents avec des températures différentes entrent en contact. Comme on le sait, le transfert de chaleur est donc déterminé par le mouvement des molécules et des atomes du corps ; , la propagation de la chaleur par conductivité thermique doit être imaginée comme une conséquence du fait que les molécules plus chauffées et donc vibrent plus vite cèdent une partie de leur énergie vibratoire aux molécules voisines qui vibrent plus lentement. Ainsi, la chaleur se propage par conductivité thermique. De plus, les électrons participent au transfert de chaleur. Le transfert de chaleur par conductivité thermique dépend de la différence de température, des dimensions géométriques et des propriétés physiques du corps. Cette dépendance peut être écrite sous une forme mathématique pratique. , il faut distinguer la conductivité thermique en régime permanent (stationnaire) et instable (non stationnaire). Un flux de chaleur en régime permanent traverse un corps dont la température en chaque point ne change pas avec le temps : moi, c'est-à-dire à travers un. corps dont le champ de température ne dépend pas du temps. Dans ce cas, une quantité constante de chaleur traverse toujours une certaine partie du corps en une heure. Si la température du corps en question change tout le temps ; localement ou dans ses parties individuelles, cela provoque une modification correspondante du flux de chaleur : il devient non stationnaire, c'est-à-dire dépendant du temps. Avec ce changement de température ; le contenu thermique du corps change également. La quantité de chaleur qui correspond à ce changement de contenu thermique correspond également à un écart par rapport à un flux de chaleur uniforme - Nous verrons ensuite que ce changement du contenu thermique du corps au fil du temps en raison d'un changement correspondant dans le champ de température complique considérablement la description mathématique de la conductivité thermique. Heureusement, dans la pratique, un champ de température variable dans le temps n'est rencontré que dans les régénérateurs et dans tous les processus de chauffage. La partie prédominante des processus techniques de transfert de chaleur par conductivité thermique est caractérisée par des flux de chaleur en régime permanent, qui sont observés lorsqu'un état stationnaire est atteint. Dans ce cas, la description mathématique du phénomène est très simple. Souvent, le flux de chaleur instable peut être déterminé approximativement en recourant à des calculs séparés du processus d'accumulation et du flux de chaleur en régime permanent.

Le transfert de chaleur par convection ne peut se produire que dans les gaz et les liquides. Elle s'effectue de la manière suivante : de plus en plus de nouvelles particules de gaz ou de liquide arrivent sur la surface chauffante, qui lui cèdent leur chaleur. Par conséquent, la chaleur est transférée mécaniquement à la surface chauffante (mouvement du convoyeur). Naturellement, le transfert de chaleur par convection se produit d'autant plus intensément que la vitesse de déplacement des particules de liquide ou de gaz est grande. Si ce mouvement est entretenu artificiellement, par exemple par un agitateur ou en créant une différence de pression dans les canalisations, cela correspond alors à une convection artificielle, ou forcée. Au contraire, le mouvement provoqué exclusivement par des causes internes, c'est-à-dire principalement par la dilatation thermique et l'apparition de portance qui y est associée, est appelé convection libre.

Le transfert de chaleur par rayonnement se produit lorsque deux surfaces, caractérisées par des températures différentes, sont situées dans l'espace l'une en face de l'autre et qu'entre elles se trouve un milieu transparent au rayonnement. Pour un flux radiant, l’espace « vide » et l’air sec sont transparents. La plupart des liquides et des gaz inflammables, ainsi que divers gaz dans certaines gammes de longueurs d'onde, comme le CO2 et la vapeur d'eau, sont opaques. L'émission de ces gaz revêt une grande importance technologique. Il sera discuté plus en détail plus tard.

Le coefficient de transfert de chaleur est l'un des concepts les plus importants dans le domaine du transfert de chaleur. Elle est égale à la quantité de chaleur transférée par le liquide de refroidissement à un mètre carré de surface en une heure avec une différence de température de 1°. Dimension du coefficient de transfert de chaleur : kcal/m2*heure° C. La quantité de chaleur transférée à la surface P m2 par t heures à une différence de température entre la surface chauffante et le liquide de refroidissement (^1-^)°C,

<2 == а(/х - 12)Р т ккал. | 0)

Auparavant, on pensait que le coefficient de transfert thermique, comme le coefficient de conductivité thermique, était une propriété purement physique.

Le volume du corps et c'est pourquoi on l'appelait le « coefficient de conductivité thermique externe ». Il est désormais établi que le coefficient de transfert thermique dépend à la fois de propriétés physiques (chaleur spécifique, conductivité thermique, viscosité) et de l'état du flux de liquide de refroidissement. Ainsi, puisque le coefficient de transfert thermique dépend de l'état de l'écoulement (formation de vortex, influences des bords, etc.), il faut tenir compte du fait d'une certaine instabilité des conditions qui le déterminent. En conséquence, comme nous le verrons ci-dessous, il est impossible de donner des formules totalement précises pour déterminer le coefficient de transfert thermique. Néanmoins, grâce à la combinaison de nombreuses études avec des recherches théoriques (notamment avec la théorie de la similarité), ce domaine a été étudié si profondément que lors de la détermination du coefficient de transfert thermique dans le cas général, une précision suffisante à des fins pratiques a été obtenue, ce qui n'est surpassé que par la précision des formules applicables à des cas particuliers jouant dans la technologie le rôle le plus important (par exemple, pour un seul tuyau, une buse de régénérateur, du gaz, de l'eau).