A hőátadás fajtái: hőátbocsátási tényező. A hőátadás három fő típusa

A képen látható három hőátadási mód: hővezető képesség, sugárzás és konvekció. Az edény alján és falain keresztül történő hővezetéssel a láng belső energiája a turista pörkölt belső energiájává alakul. Sugárzás útján - a turista tenyerének és más testének belső energiájába. És konvekcióval - a tűz feletti levegő belső energiájába.

Hőátadás hővezető képességgel. Számos kísérlet mutatja: A különböző anyagok hővezető képessége eltérő: azonos körülmények között eltérő sebességgel adják át a hőt.

Végezzünk egy kísérletet (lásd az ábrát). Két vezetéket, például egyforma hosszúságú és vastagságú rezet és acélt erősítünk meg úgy, hogy végeik a gyertya lángjába esnek. Látni fogjuk, hogy a rézdrótról viasszal ragasztott kis szögek korábban elkezdenek hullani. Ez azt jelenti, hogy a hő gyorsabban halad át a rézhuzalon, mint az acélhuzalon.

A nagy sebességgel hőátadni képes testeket és anyagokat ún hővezetők. Ezek elsősorban az összes fémet tartalmazzák. A legtöbb gáz nagyon lassan adja át a hőt. A folyadékok hővezető képessége (a folyékony fémek kivételével) a szilárd anyagok és a gázok hővezető képessége között köztes helyet foglal el. A kis sebességgel hőt átadó testeket és anyagokat ún hőszigetelők. Ilyen például a polisztirolhab, habszivacs, fa, szőrme, vatta stb.

Hőátadás konvekcióval. A képen egy kéz árnyéka látható egy világító gyufával, amikor egy zseblámpa megvilágítja. A láng feletti hullámos árnyékok felszálló meleg levegőt hoznak létre. Ez egy példa konvekció. Ez a neve a fúvókák vagy áramlások felmelegített vagy hűtött folyadékokban és gázokban való megjelenésének jelenségének (ahol az Arkhimédész-erő hat). Ráadásul termodinamikai szempontból A konvekció a hőcsere olyan módja, amelyben a belső energiát egyenetlenül melegített anyagok áramlása adja át.

A konvekciós hőátadás gyakran megtalálható körülöttünk. Például a fűtőtestek a padló közelében helyezkednek el, de a konvekció miatt a hő a helyiség teljes magasságában elterjed. A légkörben konvektív áramok is előfordulnak, szeleket és felhőket hoznak létre, és a tűzhelyen felmelegedő edények belsejében stb.

Hőátadás sugárzással. Ismeretes, hogy a környezetüknél melegebb testek képesek energiát sugározni. Térjünk át a tapasztalatra (lásd az ábrát). Melegítsünk fel egy szöget lángban, és vigyük közelebb a tenyérhez anélkül, hogy megérintené – a tenyér érezni fogja a meleget. Engedjük el a másik kezünket, és helyezzük egymás mellé a tenyerünket. Érezni fogjuk, hogy az a tenyér, amely a forró köröm közelében volt, melegebb, mint a második. Vagyis a hő a körömről a tenyérre jut át ​​egy levegőrétegen keresztül.

azonban A sugárzással történő hőcsere során az energia az anyag részvétele nélkül is átadható. Például a Nap energiája eléri bolygónkat, hatalmas távolságokat betéve az űr vákuumán keresztül, amelyben nincs anyag.

Foglaljuk össze az ebben a részben tanultakat. Nál nél hőátadás konvekcióval az energiát egyenetlenül felmelegített anyagsugár vagy sugár adja át. Nál nél hőátadás hővezető képességgel az energia egy anyagrétegen keresztül jut át, de maga az anyag nem mozog. Nál nél hőátadás sugárzással energia átvitele az anyag részvétele nélkül történik.

A hőátadás, vagy a hőátadás elmélete a hő különböző közegekben való eloszlását, valamint a melegebb testekről a kevésbé fűtött testekre történő hőátadást vizsgálja. A hőáramlásnak csak egy iránya van - a forró testtől a hideg felé.

A kazánegységekben, turbinákban, kondenzátorokban és termikus főzőberendezésekben végbemenő összes folyamatot hőcsere kíséri.

A hőátadásnak három fő módja van: vezetés, konvekció és sugárzás.

A hővezető képesség a hő (hőenergia) átadása a test egyes részecskéinek vagy különböző hőmérsékletű testeknek a közvetlen érintkezése révén. A folyamat lényege, hogy egy magasabb hőmérsékletű test legkisebb részecskéi nagyobb mozgási energiával rendelkeznek, és alacsonyabb hőmérsékletű részecskékkel érintkezve leadják energiájukat, az utóbbiak pedig érzékelik azt. Ebben az esetben nem történik anyagátadás. Tiszta formájában a hővezető képesség csak szilárd anyagokban figyelhető meg.

A konvekció a hő átadása folyadék vagy gáz áramlásával az anyag tömegének átvitele következtében. A mozgó közeg térfogatának minden eleme hőt ad át, ha érintkezik egy fűtött felülettel. Ebben az esetben a felhevültebb részecskék ütköznek kevésbé felhevültekkel, és a hővezető képességen keresztül adják nekik energiájuk egy részét. A hővezetéssel kombinált konvekciós hőátadást konvekciónak nevezzük. A konvekciónak két típusa van: szabad (természetes), amely a közeg sűrűsége különbsége miatt következik be, és kényszerített, amely ventilátorok, szivattyúk stb. hatására jön létre.

A sugárzás az a folyamat, amely során hőt adnak át egyik testről a másikra sugárzási energia formájában, amely más testekre hullva részben vagy teljesen elnyelődik ezekben a testekben, és felmelegszik. Ebben az esetben a fizikai környezet jelenléte nem szükséges. A sugárzás elektromágneses természetű, és vákuumban a sugárzási energia fénysebességgel terjed.

Valós körülmények között komplex hőcsere megy végbe, amelyben mindhárom módszerrel egyidejűleg adják át a hőt.

A testek közötti hőcsere történhet állandósult vagy instabil hőviszonyok között. Állandósult vagy állóhőmérsékleten a hőmérséklet a test minden pontján idővel változatlan marad.

Instabil vagy nem stacioner termikus rezsim esetén a test minden pontján a hőmérséklet idővel változik. A fűtőberendezésekben, illetve a hűtőkamrákban a termékek fűtési és hűtési folyamatai bizonytalan körülmények között mennek végbe.

Konvektív hőcsere történik az edény fala és a falat mosó folyadék (gáz) között, amikor közvetlenül érintkeznek.

A kibocsátott hullámok hosszától függően a sugárzási energia különböző tulajdonságai jelennek meg. Ebben a tekintetben megkülönböztetik a sugarakat: röntgen, ultraibolya, fény, gamma-sugárzás, infravörös stb. A termikus (infravörös) sugarak nagy jelentőséggel bírnak a hőátadásban.

Minden nullától eltérő hőmérsékletű test képes sugárzó energia kibocsátására, elnyelésére és visszaverésére. Egy test önmagán keresztül is továbbíthat egy másik testből rá eső sugarakat.

A testre eső sugárzó energiát részben elnyeli, részben visszaverődik a felületéről, és részben átadja egy másik test felületére.

A fűtőberendezések oldalsó felületeiről a környezetbe kerülő hőveszteség csökkentése érdekében a kemencékben, pékségekben, sütőkemencékben és egyéb berendezésekben a belső és a külső dobozok között alumíniumfólia-szitákat használnak. Ennek eredményeként a felületek közötti sugárzó hőcsere intenzitása (n+1)-szeresére csökken (n a képernyők száma). A képernyők hozzájárulnak a fűtőberendezés hatékonyságának növeléséhez, és a készülék felületének hőmérsékletét a szabványos szabványok által elfogadható értékekre csökkentik.

A komplex hőátadás a hővezető képesség, a konvektív hőátadás és a hősugárzás egyidejűleg fellépő folyamatainak kombinációja. Például, ha figyelembe vesszük a víz felmelegítését egy elektromos tűzhelyen álló serpenyőben, akkor a hőátadás vezetés, sugárzás és konvekció útján történik.

A kazánokban közbenső hűtőközeggel végzett vízmelegítéskor a gőz-vízköpeny gőzéből a hő a vízbe kerül, azaz a hőátadás a kazán falán keresztül történik. Az ilyen hőátadás intenzitását a falon keresztül a hőátbocsátási tényező becsüli meg.

A hőátbocsátási tényező az a hőmennyiség, amely az egyik közegből a másikba a falfelületen egységnyi idő alatt átadódik, ha a közegek közötti hőmérsékletkülönbség egy fok.

Maguk a falak lehetnek egyrétegűek, kétrétegűek vagy többrétegűek, de a hőátadás fizikai jelenségének lényege változatlan marad. Amikor egy fűtött közegből hőt adnak át, például egy sütőben, akkor a hő a belső fal felületére kerül konvekcióval, majd hővezetéssel a fal összes rétegén keresztül és a fal utolsó külső felületéről - konvekció egy másik közegbe (levegő), amelynek hőmérséklete alacsonyabb, mint a fűtőközeg hőmérséklete.

HŐÁLLÍTÁSI MÓDSZEREK.

A termikus szárítás során két folyamatot különböztetnek meg:

1) az eltávolítandó nedvesség elpárolgása;

2) a képződött gőz eltávolítása az anyag felületéről.

1 kg nedvesség elpárologtatásához nagyon bizonyos mennyiségű hőt kell eljuttatni a párologtatási tartományba. Ezért a hőátadás képezi a szárító üzemekben lezajló működési folyamatok alapját. A gyakorlatban a hőátadás mindhárom fő formája kisebb-nagyobb mértékben megvalósul: 1) hővezető képesség; 2) konvekció; 3) sugárzás.

Emellett számos szárítóberendezésben nagy jelentőséggel bír a hőátadás egy speciális fajtája, nevezetesen a rövid távú érintkezés útján történő hőátadás, amely például görgős szárítóknál, vákuumszárítók fűtőrácsán és dobban figyelhető meg. szárítók, amikor a hideg anyag kölcsönhatásba lép a belső eszközök fűtött elemeivel.

A szárítási technológia hőátadási problémáinak megközelítése eltér a gépészet más ágaiban alkalmazott megközelítéstől. A gépészetben a hőátadó és hőfogadó elemek alakja és méretei a legtöbb esetben jól ismertek (csövek, lemezek stb.). A szárítóberendezésekben a legtöbb szárításnak alávetett mezőgazdasági termék geometriai alakja rendkívül változatos, ezért azt nehéz analitikai függőségekkel kellő pontossággal leírni.

További nehézséget jelent, hogy az anyagban lévő nedvességpárolgási zóna folyamatosan mozog, és a folyamat körülményeitől függ. Emiatt a szárítóberendezésekben minden más technológiai területen a kísérleti vizsgálatok képezik az eszközök számításának és tervezésének alapját.

A hőátadás alább vázolt alaptörvényeit a mezőgazdasági szárítóberendezésekben végbemenő folyamatok teljes megértéséhez szükséges mértékben ismertetjük.

A hővezetés, mint a hőátadás módja

A vezetés útján történő hőátadás szilárd anyagokban, álló folyadékokban és gázokban történik, az egyik elemi részecskéből a másikba hő formájában történő energiaátvitel következtében. A hőt a magas hőmérsékletű területről egy alacsonyabb hőmérsékletű területre továbbítják. Állandósult állapotban a test két párhuzamos felülete közötti hőáram-sűrűség a hőmérséklet-különbségtől, a falvastagságtól és a hőfizikai állandótól – K hővezető képességtől – függ (3.13. ábra):

Rizs. 3.13. Lapos fal hővezető képessége

q – hőáram sűrűsége, kcal/(m2 h);

λ – hővezető képesség, kcal/(m·h·ºС);

U1, U2 – hőmérséklet az első és második felületen, ºС;

s – falvastagság, m

Sík felületekkel határolt homogén test esetén a közöttük lévő hőmérséklet állandó hőviszonyok mellett lineáris törvény szerint csökken. Mert

összetett szerkezetű testek esetén a folyamatot egy végtelenül kicsi ds vastagságú rétegben egy alakegyenlet írja le

ahol dυ a hőmérsékletkülönbség egy végtelenül kicsi vastagságú rétegben, °C. A mínusz jel az egyenletben azt jelzi, hogy a hőáram alacsonyabb hőmérséklet felé irányul.

Ahhoz, hogy egy végtelenül kicsi vastagságú rétegben zajló folyamat figyelembevételével következtetéseket lehessen levonni a teljes testben zajló folyamatról, bizonyos peremfeltételek mellett szükséges az integráció végrehajtása.

Konvekció (a hőátadás módja)

A konvekciós hőátadás lényegében két folyamatot foglal magában (3.17. ábra):

1) hőátadás hővezető képességgel a szilárd test felületéről egy lamináris határrétegen keresztül a turbulens áramlás magjának közelébe;

2) hőátadás turbulens átvitel útján a lamináris határrétegből a turbulens áramlás magjába.

A szárítást a hőáramlás fordított iránya jellemzi: a szárítószertől a szilárd anyag felületére. A hőátadási egyenlet összefüggésbe hozza az áramlás és a test felülete közötti hőmérséklet-különbséget a hőáramlás sűrűségével:

ahol a hőátbocsátási tényező, kcal/(m2 h °C);

UL;U0 - hőmérséklet a falon és az áramlás magjában, °C.

Rizs. 3.17. Hőmérsékletprofil turbulens áramlásból a szilárd test felületére lamináris határrétegen keresztül: UL - hőmérséklet az áramlási magban U0 - hőmérséklet a test felületén;

A konvektív hőátadás folyamatainak megértéséhez különbséget kell tenni az elemi folyamatok (egyedi testek körüli áramlás) és az összetett folyamatok (hőcsere ömlesztett anyagok rétegében, ellen- és előreáramlás stb.) között.

A lamináris határréteg, a turbulens áramlási mag, a hővezető képességgel és turbulens keveréssel történő hőátadás, valamint a határolórétegben előre és hátrafelé irányuló tömegátadás egymással összefügg, és sokféle hatással vannak egymásra. Ezek a folyamatok az energia- és tömegcsere egyensúlyegyenleteivel írhatók le. A leíráshoz célszerű olyan dimenzió nélküli kritériumokat bevezetni, amelyek számos fizikai és technológiai paraméterre vonatkoznak. Ilyen kritériumok alapján a tényleges fizikai függőségek egyszerűbben és érthetőbben írhatók le, miközben lemondunk a folyamatot jellemző fizikai paraméterek közvetlen használatáról.

Sugárzás hőátadás sugárzással

A sugárzás általi hőátadás (például infravörös fűtésnél) az energia átadásakor történik. elektromágneses rezgések egyik testről a másikra. Ebben az esetben sem szilárd, sem folyékony, sem gáznemű hordozó nem vesz részt a sugárzás általi energiaátvitelben. A Stefan-Boltzmann törvény szerint a test által a környező térbe kibocsátott energia a hőmérsékletével (Kelvin-fokban) arányos a negyedik hatványon:

q - sugárzási energia fluxussűrűsége, kaal/(m2 x);

C a test emissziós tényezője;

T - hőmérséklet, K.

Ha két különböző hőmérsékletű testet közelebb hozunk egymáshoz (3.21. ábra), akkor ezeknek a testeknek az elnyelt és kibocsátott energiája közötti különbséget az egyenlet becsüli meg.

K = A1 C12[( T 1 / 100)4 – (T2 / 100)4] = A2 C21[( T 1 / 100)4 – (T2 / 100)4],

Ahol K- a sugárzási energia hőárama, kcal/h; A1, A2 - az 1. és 2. testek sugárzó felülete; C12, C21 - emissziós együtthatók, kcal/[m2-h (K/100)4]. Az egyes testek emissziós együtthatóinak ábrázolásán alapuló C12 vagy C21 együtthatók a következő egyenletekből származnak:

1/C12 = 1/C1 + A1/A2 (1/C2 – 1/Cs);

1/С21 = 1/С2 + А2/А1 (1/С1 – 1/Сs);

Rizs. 3.22. Sugárzásanergia fluxussűrűsége különböző hőmérsékletre hevített testek között (C = 4,0)

3.23. ábra. Hőmérséklet-eloszlás a kerámia lemezben infravörös sugárral felmelegítve (munkaadatok szerint)

ahol Cs a fekete test emissziós tényezője; Cs=4,96 kcal/[m2-h (K/100)4].

A táblázatok gyakran megadják a relatív jellemző értékét (3.10. táblázat)

ábrán. A 3.22. ábra a sugárzási energia fluxussűrűségének υ1 és υ2 hőmérséklettől való függését mutatja, feltéve, hogy C12 = C21 = 4 kcal/[m2-h (K/100)4]. A grafikonokon jól látható, hogy nagy hőmérséklet-különbségek esetén a sugárzási energia csak a melegebb test hőmérsékletétől függ.

Különösen érdekes a szárítóberendezésekben a sugárzással történő hő hozzáadásának folyamata, amely annak köszönhető, hogy a sugárzási energia behatolhat különböző környezetekbe. A hőáramok behatolási mélysége a sugárzás során az anyag típusától és a sugárzás típusától függ. Szerves eredetű kapilláris-porózus testeknél ez a mélység 0,1-2 mm.

Tekintettel arra, hogy a szükséges hő részben a test belsejében szabadul fel, és nem csak a felületén, bizonyos körülmények között a felületen a hőáram sűrűsége többszörösére növelhető.

3.10. táblázat Egy anyag feketeségi foka Schmidt szerint

ANYAG	Hőmérséklet, °C	Emissziós fok ε = C/ Cs
Arany, ezüst, réz polírozott
polírozott, enyhén oxidált
homokos
megfeketedett (oxidált)
finomra csiszolt
erősen oxidált
Kiégetett agyag
Sima jég, víz
Jég, érdes felület

A.V. Lykov szerint az energiaáram sűrűsége például 750 kcal/(m2-h)-ról konvekcióval 22500 kcal/(m2-h)-ra növelhető sugárzással. ábrán. A 3.23. ábra egy test sugárzási energia felhasználásával történő melegítési folyamatának grafikus ábrázolását mutatja be. A grafikonon jól látható, hogy a hőenergia kezdetben csak a test belsejében szabadul fel, különben a maximális hőmérsékletnek a test felszínén kellene lennie.

Kontakt hőcsere

Érintkezési hőcsere akkor figyelhető meg, amikor két, a kezdeti időpontban eltérő hőmérsékletű test érintkezik egymással, aminek következtében ezeknek a testeknek a hőmérséklete valamilyen közös átlaghőmérsékletre hajlik. A gyakorlatban az ilyen jellegű hőátadás felmelegedett vagy felhevült felületeken fordul elő öntés, vibráció vagy a megszáradt anyag csúsztatása során.

Két, kezdetben eltérő hőmérsékletű test érintkezése után az első pillanatban az érintkezés felületén egy átlagos hőmérséklet alakul ki, amelyet U0-nak nevezünk. A mennyiséget a test termikus aktivitásának nevezzük. Ahol:

A csökkentett hőátbocsátási tényező átlagos értéke, hivatkozva. a t időtartamra és az U0-U∞ hőmérséklet-különbségre (ahol - U∞ a hideg test kezdeti hőmérséklete), képlettel számolva.

A rövid távú érintkezés során a csökkentett hőátbocsátási tényező átlagos értéke meglehetősen magas lehet.

Hőátadás fűtés közben váltakozó elektromágneses térben.

Ha két egymástól bizonyos távolságra elválasztott fémlemezt váltakozó elektromágneses térbe helyezünk, akkor a térerősségtől és a kapacitástól függően váltakozó áram keletkezik közöttük.

3.25. ábra. A b dielektromos állandó változása és a tgδ dielektromos veszteség érintője a frekvencia függvényében f fenyőfa váltakozó elektromágneses mezője és nedvességtartalma (munka szerint)

Ha a kondenzátorlapok közé anyagot helyezünk, akkor a kapacitív áram az anyag ε dielektromos állandójával arányosan nő. A mezőgazdasági termékekben lévő víz a száraz tömegükhöz képest nagy dielektromos állandóval rendelkezik (0 °C hőmérsékleten ε = 80), ezért az e állandóval az anyag nedvességtartalma mérhető.

A tisztán kapacitív áram nem melegíti fel a nedves anyagot. Az anyagon belüli fáziseltolásos áramoknak is van aktív komponense. Az aktív és kapacitív komponensek arányával kifejezett mennyiséget dielektromos veszteség érintőnek nevezzük:

IR - az áram aktív komponense, A; IC - az áram kapacitív összetevője, A; U - effektív feszültség, V; R - aktív ellenállás, Ohm; w- körfrekvencia, 1/s; C - kapacitás, F; ε - dielektromos állandó; f- frekvencia Hz.

A hő felszabadulását az anyagban csak az áram aktív komponense határozza meg:

Ha a feszültséget E térerővel (a lemezeket elválasztó távolság centiméterére eső feszültség) fejezzük ki, akkor a térfogati hőleadás erejét jellemző kifejezést kaphatunk:

Q - hőleadás, kcal/h; V - kondenzátor térfogata, cm3; E - elektromos térerősség, V/cm.

A tgδ és az e dielektromos állandó által meghatározott veszteségek nagymértékben függnek az anyag nedvességtartalmától és az elektromágneses tér változásának gyakoriságától (3.25. ábra). Még viszonylag alacsony nedvességtartalom mellett is jelentősen megnő mindkét említett paraméter. Ennek köszönhetően megteremtődnek a szükséges feltételek az úgynevezett dielektromos szárításhoz. Ugyanakkor a hőtermelés különösen ott válik nagymértékben, ahol a legtöbb nedvességet tartalmaz. Emiatt az ilyen helyeken gyorsabban elpárolog a nedvesség. Ezen túlmenően ebben az esetben az anyagot először belülről szárítják, ami nagyon fontos, hogy megakadályozzuk a zsugorodási feszültségek miatti tönkremenetelét (fa szárításakor), amely a hagyományos szárítási módszerekkel megfigyelhető, amikor az anyag először kívülről szárad meg, majd belülről.

Légköri nyomáson a nedves anyag belsejében a hőmérséklet körülbelül 100 °C-ra emelkedik, és ezen a szinten állandó marad. Ha a nedvesség olyan nagy mennyiségben párolog el, hogy az anyag a higroszkópos tartományba kerül, akkor a hőmérséklet tovább emelkedik. Ennek eredményeként az anyag magja elszenesedhet, miközben a külső rétegei nedvesek maradnak.

A dielektromos vagy nagyfrekvenciás szárítás nem túl elterjedt, nemcsak a nagy tőkebefektetések és a magasan képzett szolgáltatás költségei, hanem az eljárás nagy energiaintenzitása miatt is. A nedvesség elpárologtatásához szükséges hőenergia az elektromos energia átalakítása eredményeként keletkezik, az energiaátalakítás pedig észrevehető veszteségekkel jár.

>>Fizika: A hőátadás típusai

A test belső energiája kétféleképpen változtatható: munkavégzéssel és hőcserével. A hőcsere többféleképpen történhet. Háromféle hőátadás létezik: vezetés, konvekciós és sugárzó hőátadás.
kép.jpg

1. Hővezető- ez a hőcsere egy olyan fajtája, amelyben az energia közvetlen átvitele történik a melegebb testrész részecskéitől a kevésbé fűtött részének részecskéi felé. A hővezető képességgel maga az anyag nem mozog a test mentén - csak energia kerül átadásra.

Térjünk át a tapasztalatra. Rögzítsünk egy vastag rézhuzalt egy állványba, és a dróthoz viasszal (vagy gyurmával) rögzítsünk több szöget (63. ábra).

Ha a huzal szabad végét alkohollámpa lángjában felmelegítjük, a viasz megolvad, és a csapok fokozatosan leesnek a huzalról. Sőt, először a lánghoz közelebb lévők tűnnek el, majd az összes többi sorra. Ennek magyarázata a következő.

A fémek, különösen az ezüst és a réz rendelkeznek a legnagyobb hővezető képességgel. A folyadékok (az olvadt fémek kivételével) alacsony hővezető képességgel rendelkeznek. A gázok esetében még kevesebb, mivel molekuláik viszonylag távol vannak egymástól, és az egyik részecskerõl a másikba való energiaátvitel nehézkes.

Ha összehasonlítjuk a különböző anyagok hővezető képességét a réz hővezető képességével, kiderül, hogy a vas esetében körülbelül 5-ször, a víznél - 658-szor kevesebb, a porózus téglánál - 840-szer kevesebb, a frissen hullott hónál - majdnem 4000-szer kevesebb, vatta, fűrészpor és juhgyapjú esetében - majdnem 10 000-szer kevesebb, levegőben pedig körülbelül 20 000-szer kevesebb.

A gyapjú, pehely és szőrzet rossz hővezető képessége (a rostjaik között lévő levegő miatt) lehetővé teszi, hogy az állat szervezete megtartsa a test által termelt energiát, és ezáltal megvédje magát a kihűléstől. A vízimadarakban, bálnákban, rozmárokban, fókákban és néhány más állatban található zsírréteg szintén véd a hideg ellen.

2. Konvekció folyékony és gázhalmazállapotú közegben anyagáramlások (vagy sugarak) által végrehajtott hőcsere.
Köztudott például, hogy a folyadékokat és a gázokat általában alulról melegítik. A tűzre vízforralót helyeznek, az ablakok alá a padló közelében fűtőradiátorokat helyeznek. Ez véletlen egybeesés?

Ha a kezünket egy forró tűzhely vagy egy bekapcsolt lámpa fölé helyezzük, érezni fogjuk, hogy a tűzhelyből vagy a lámpából meleg légáramok szállnak fel. Ezek a fúvókák még a lámpa felett elhelyezett kis papírcsapot is el tudják forgatni (64. ábra). Honnan származnak ezek a fúvókák?

A levegőnek a tűzhellyel vagy lámpával érintkező része felmelegszik, és ennek következtében kitágul. Sűrűsége kisebb lesz, mint a környező (hidegebb) közegé, és az arkhimédeszi (úszó) erő hatására felfelé kezd emelkedni. Hideg levegő tölti be a helyét lent. Egy idő után, miután felmelegedett, ez a légréteg is felemelkedik, átadva helyét a következő levegőrésznek stb. Ez a konvekció.

Az energia átadása ugyanúgy történik, amikor egy folyadékot melegítenek. A folyadékrétegek hevítés közbeni mozgásának észlelésére egy színezőanyag (például kálium-permanganát) kristályát engedik le vízzel egy üveglombik aljára, és a lombikot tűzre helyezik. Egy idő után a kálium-permanganáttal lilára színezett, felmelegített alsó vízrétegek felfelé kezdenek emelkedni (65. ábra). Helyükre hideg víz jön, amely felmelegedve szintén emelkedni kezd stb. Fokozatosan az összes víz felmelegszik. A konvekciónak köszönhető, hogy nappalink levegője felmelegszik (66. ábra).

Felmelegszik a levegő és a folyadék, ha nem alulról, hanem felülről fűtik? Térjünk át a tapasztalatra. Tegyünk egy darab jeget a kémcsőbe, és nyomjuk le anyával vagy fémhálóval, és öntsünk bele hideg vizet. Felülről melegítve a felső vízrétegeket felforralhatjuk (67. ábra), míg az alsó vízrétegek hidegek maradnak (és még a jég sem olvad el). Ez azzal magyarázható, hogy ezzel a fűtési módszerrel nem történik konvekció. A felforrósodott vízrétegeknek nincs hova emelkedniük: elvégre már a tetején vannak. Az alsó (hideg) rétegek alatta maradnak. Igaz, a víz a hővezető képesség miatt felmelegedhet, de ez nagyon alacsony, ezért sokáig kell várni, hogy ez megtörténjen.

Ugyanígy magyarázható, hogy miért nem melegszik fel a kémcsőben lévő levegő, ami a 68. ábrán látható.

Csak felül melegszik, alul viszont hideg marad.

A 67. és 68. ábrán bemutatott kísérletek nemcsak azt mutatják, hogy a folyadékokat és a gázokat alulról kell melegíteni, hanem azt is, hogy nagyon rossz a hővezető képességük.

3. Sugárzó hőátadás- Ez egy hőcsere, amelyben az energiát különféle sugarak adják át. Ezek lehetnek a nap sugarai, valamint a körülöttünk lévő felhevült testek által kibocsátott sugarak.

Így például egy kandalló vagy tűz mellett ülve érezzük, hogyan kerül át a hő a tűzből a testünkbe. Az ilyen hőátadás oka azonban nem lehet sem a hővezető képesség (amely nagyon kicsi a láng és a test közötti levegő esetében), sem a konvekció (mivel a konvekciós áramlások mindig felfelé irányulnak). Itt a harmadik típusú hőcsere megy végbe – a sugárzó hőcsere.

Vessünk hűtőborda- olyan készülék, amely egy lapos kerek doboz, melynek egyik oldala tükörszerűen polírozott, a másik pedig matt fekete festékkel van bevonva. A doboz belsejében levegő található, amely egy speciális lyukon keresztül távozhat. Csatlakoztassuk a hőfogadót egy folyadéknyomásmérőhöz (69. ábra), és vigyünk a hőfogadóba egy elektromos főzőlapot vagy egy magas hőmérsékletre melegített fémdarabot. Észre fogjuk venni, hogy a nyomásmérőben lévő folyadékoszlop elmozdul. De ez azt jelenti, hogy a hűtőbordában lévő levegő felmelegedett és kitágul. A levegő felmelegedése egy hőfogadóban csak azzal magyarázható, hogy a felmelegített testből energiát adnak át neki. Hogyan adták át ezt az energiát? Nyilvánvaló, hogy nem hővezető képességről van szó, mivel a fűtött test és a hűtőborda között alacsony hővezető képességű levegő található. Itt sem volt konvekció: elvégre a hűtőborda nem a felfűtött test fölött, hanem mellette található. Az energiát ebben az esetben egy felhevített test által kibocsátott láthatatlan sugarak segítségével továbbították. Ezeket a sugarakat ún hősugárzás.

A hősugárzás (látható és láthatatlan) segítségével a napenergia is a Földre kerül. Az ilyen típusú hőcsere megkülönböztető jellemzője a vákuum segítségével történő megvalósítás lehetősége.

Hősugárzást minden test bocsát ki: elektromos tűzhely, lámpa, föld, egy pohár tea, emberi test stb. De az alacsony hőmérsékletű testek esetében ez gyenge. Ezzel szemben minél magasabb a testhőmérséklet, annál több energiát ad át sugárzással.

Amikor egy forrástestről terjedő sugárzás más testeket ér el, annak egy része visszaverődik, egy része pedig elnyelődik. Elnyeléskor a hősugárzás energiája a testek belső energiájává alakul, és felmelegednek.

A testek világos és sötét felülete eltérően nyeli el a sugárzást. Ha a hővevőt (lásd 69. ábra) a sugárzó test felé fordítjuk, először fekete, majd fényes felülettel, akkor a nyomásmérőben lévő folyadékoszlop az első esetben nagyobb távolságra fog elmozdulni, mint a második esetben. . Ez azt mutatja, hogy a sötét felületű test jobban elnyeli az energiát (és ezért jobban felmelegszik), mint a világos vagy tükörszerű felületű test.

A sötét felületű testek nemcsak jobban elnyelik az energiát, hanem jobban ki is bocsátanak. Ha többet bocsátanak ki, gyorsabban lehűlnek. Például a forró víz gyorsabban hűl egy sötét vízforralóban, mint egy világosban.

A sugárzási energia különböző módon történő elnyelésének képességét széles körben alkalmazzák a technológiában. Például a léggömböket és a repülőgép szárnyait gyakran ezüstre festik, hogy csökkentsék a napsugarak hőjét. Ha napenergiát kell használni (például bizonyos mesterséges műholdakra telepített eszközök fűtésére), akkor ezeket az eszközöket sötétre kell festeni.


??? 1. Sorolja fel a hőátadás típusait! 2. Mi a hővezető képesség? Melyik testnek jobb, melyiknek rosszabb? 3. Ön szerint mit jelez a 70. ábrán látható tapasztalat? 4. Mi a konvekció? 5. Miért alulról melegítik a folyadékokat és a gázokat? 6. Miért lehetetlen a konvekció szilárd testekben? 7. Milyen típusú hőcsere valósítható meg vákuumon keresztül? 8. Hogyan épül fel a hűtőborda? 9. Mely testek veszik fel jobban és melyek rosszabbul a hősugárzási energiát? 10. Miért tart tovább a forró víz lehűlése egy világos vízforralóban, mint egy sötétben?

Kísérleti feladatok . 1. Otthon, az utcán vagy közlekedés közben ellenőrizze, hogy érintésre mely tárgyak tűnnek hidegebbnek. Mit tud mondani a hővezető képességükről? Észrevételei alapján készítsen anyagok elnevezéseinek sorozatát a hővezető képesség növelésének sorrendjében! 2. Kapcsolja be az elektromos lámpát, és húzza hozzá a kezét (anélkül, hogy megérintené a lámpát). Mit érzel? Milyen típusú hőcsere történik ebben az esetben? 3. A bunda melegen tart? Ennek kiderítéséhez vegyünk egy hőmérőt, és a leolvasást észlelve csavarjuk be egy bundába. Fél óra múlva vegyük ki. Változott a hőmérő állása? Miért?

S.V. Gromov, N.A. Rodina, fizika 8. osztály

Internetes oldalak olvasói küldték be

Anyagok fizikából 8. osztály, feladatok és válaszok fizikából évfolyamonként, online tesztelés, jegyzettervek fizikából 8. osztály

Az óra tartalma lecke jegyzetei támogató keretóra prezentációgyorsítási módszerek interaktív technológiák Gyakorlat feladatok és gyakorlatok önellenőrző műhelyek, tréningek, esetek, küldetések házi feladat megbeszélés kérdések szónoki kérdések a tanulóktól Illusztrációk audio, videoklippek és multimédia fényképek, képek, grafikák, táblázatok, diagramok, humor, anekdoták, viccek, képregények, példázatok, mondások, keresztrejtvények, idézetek Kiegészítők absztraktokat cikkek trükkök a kíváncsiskodóknak bölcsők tankönyvek alap- és kiegészítő szótár egyéb Tankönyvek és leckék javításaa tankönyv hibáinak javítása egy töredék frissítése a tankönyvben, innováció elemei a leckében, az elavult ismeretek újakkal való helyettesítése Csak tanároknak tökéletes leckékévre vonatkozó módszertani ajánlások; Integrált leckék

A hőátadás háromféleképpen hajtható végre:

1) hővezető képesség;

2) konvekció;

3) sugárzás.

Mindezeket a hőátadási módszereket a hőmérséklet különbség határozza meg; hányados; A hő mindig egy melegebb testről egy kevésbé fűtöttre kerül. A hővezetési tényezővel történő hőátadás ugyanabban a testben történik, ahol hőmérsékletkülönbség van, vagy ahol két különböző hőmérsékletű test érintkezik Mint ismeretes, a hőátadást a test molekuláinak és atomjainak mozgása határozza meg , a hő hővezető képességgel történő terjedését annak következményeként kell elképzelni, hogy a jobban felhevült, ezért gyorsabban rezgő molekulák rezgési energiájuk egy részét átadják a lassabban rezgő molekuláknak. Így a hő a hővezető képességgel terjed. Ezen kívül az elektronok részt vesznek a hővezetésben a hőmérséklet különbségtől, a geometriai méretektől és a test fizikai tulajdonságaitól , meg kell különböztetni az állandósult (stacionárius) és instabil (nem álló) hővezető képességet Egy állandósult állapotú hőáram áthalad egy olyan testen, amelynek hőmérséklete az egyes pontokban nem változik az idővel: én, azaz a test, amelynek hőmérsékleti mezője nem függ az időtől. Ebben az esetben egy óra alatt mindig állandó mennyiségű hő halad át a test egy bizonyos szakaszán. Ha a kérdéses test hőmérséklete folyamatosan változik; lokálisan vagy egyes részein ez megfelelő változást okoz a hőáramlásban: nem-stacionáriussá, azaz időfüggővé válik. Ezzel a hőmérséklet-változással; a test hőtartalma is változik. A hőtartalom e változásának megfelelő hőmennyiség az egyenletes hőáramlástól való eltérésnek is megfelel - A következőkben látni fogjuk, hogy a test hőtartalmának időbeli változása a hőmérsékleti mező megfelelő változása miatt jelentősen bonyolítja a hővezető képesség matematikai leírása. Szerencsére időben változó hőmérsékleti mezővel a gyakorlatban csak a regenerátorokban és minden fűtési folyamatban találkozunk. A hővezető képességgel történő hőátadás technikai folyamatainak túlnyomó részét az állandósult hőáramlások jellemzik, amelyek stacionárius állapot elérésekor figyelhetők meg. Ebben az esetben a jelenség matematikai leírása nagyon egyszerű. Az instabil hőáramlást gyakran hozzávetőlegesen meg lehet határozni a felhalmozódási folyamat és az állandósult hőáram külön számításával.

A konvekciós hőátadás csak gázokban és folyadékokban valósulhat meg. Ez a következőképpen történik: egyre több új gáz- vagy folyadékrészecske érkezik a fűtőfelületre, amelyek hőjét adják le. Ennek következtében a hő mechanikusan (szállítószalag) kerül a fűtőfelületre. A konvekciós hőátadás természetesen minél intenzívebben megy végbe, minél nagyobb a folyadék- vagy gázrészecskék mozgási sebessége. Ha ezt a mozgást mesterségesen tartják fenn, például keverővel vagy nyomáskülönbség létrehozásával a csővezetékekben, akkor ez mesterséges, vagy kényszerített konvekciónak felel meg. Ellenkezőleg, a kizárólag belső okok, azaz főként hőtágulás és az ezzel járó felemelkedés által okozott mozgást szabad konvekciónak nevezzük.

Sugárzás általi hőátadás akkor következik be, ha két különböző hőmérsékletű felület egymással szemben helyezkedik el a térben, és közöttük sugárzásnak átlátszó közeg található. A sugárzó áramlás érdekében az „üres” tér és a száraz levegő átlátszó. A legtöbb folyadék és gyúlékony gáz, valamint egyes hullámhossz-tartományok különböző gázai, mint például a CO2 és a vízgőz, átlátszatlanok. Ezeknek a gázoknak a kibocsátása nagy jelentőséggel bír a technológiában. Erről később részletesebben lesz szó.

A hőátadási tényező az egyik legfontosabb fogalom a hőátadás területén. Ez megegyezik azzal a hőmennyiséggel, amelyet a hűtőfolyadék egy óra alatt egy négyzetméternyi felületre továbbít 1°-os hőmérséklet-különbség mellett. A hőátbocsátási tényező mérete: kcal/m2*óra° C. A felületre átadott hőmennyiség P m2 per t óra a fűtőfelület és a hűtőközeg hőmérséklet-különbségénél (^1-^)°C,

<2 == а(/х - 12)Р т ккал. | 0)

Korábban azt hitték, hogy a hőátbocsátási tényező, akárcsak a hővezetési tényező, tisztán fizikai tulajdonság.

A test térfogata, ezért „külső hővezetési együtthatónak” nevezték. Mostanra megállapították, hogy a hőátbocsátási tényező a fizikai tulajdonságoktól (fajhő, hővezetőképesség, viszkozitás) és a hűtőfolyadék áramlási állapotától egyaránt függ. Így, mivel a hőátbocsátási tényező függ az áramlás állapotától (örvényképződés, peremhatások stb.), számolnunk kell az azt meghatározó feltételek bizonyos instabilitásának tényével. Ennek eredményeként, amint az alább látható, lehetetlen teljesen pontos képleteket adni a hőátbocsátási tényező meghatározására. Ennek ellenére számos tanulmány elméleti kutatással (különösen a hasonlóság elméletével) ötvözésének köszönhetően ezt a területet olyan mélyrehatóan tanulmányozták, hogy a hőátbocsátási tényező meghatározásakor általános esetben gyakorlati célokra megfelelő pontosságot sikerült elérni. ami a technológiában a legfontosabb szerepet játszó speciális esetekre alkalmazható képletek pontossága után a második (például egycsőre, regenerátor fúvókára, gázra, vízre).