Теплопередача

Моделирование тепловой конвекции в мантии Земли . Цвета варьируются от красного и зеленого до синего с понижением температуры. Горячий, менее плотный нижний пограничный слой направляет шлейфы горячего материала вверх, а холодный материал сверху движется вниз.

Теплопередача — это дисциплина теплотехники , которая занимается производством, использованием, преобразованием и обменом тепловой энергии ( тепла ) между физическими системами. Перенос тепла подразделяется на различные механизмы, такие как теплопроводность , тепловая конвекция , тепловое излучение и передача энергии посредством фазовых переходов . Инженеры также учитывают перенос массы различных химических веществ (массоперенос в форме адвекции), холодный или горячий, для достижения теплопередачи. Хотя эти механизмы имеют разные характеристики, они часто возникают одновременно в одной и той же системе.

Теплопроводность, также называемая диффузией, представляет собой прямой микроскопический обмен кинетической энергией частиц (например, молекул) или квазичастиц (например, волн решетки) через границу между двумя системами. Когда объект имеет температуру, отличную от температуры другого тела или его окружения, тепло течет так, что тело и окружающая среда достигают одинаковой температуры, и в этот момент они находятся в тепловом равновесии . Такая самопроизвольная передача тепла всегда происходит из области с высокой температурой в другую область с более низкой температурой, как описано во втором законе термодинамики .

Тепловая конвекция возникает, когда объемный поток жидкости (газа или жидкости) переносит тепло через жидкость. Все конвективные процессы также частично переносят тепло за счет диффузии. Поток жидкости может быть вызван внешними процессами или иногда (в гравитационных полях) силами плавучести, возникающими, когда тепловая энергия расширяет жидкость (например, в шлейфе огня), влияя таким образом на ее собственный перенос. Последний процесс часто называют «естественной конвекцией». Первый процесс часто называют «вынужденной конвекцией». В этом случае жидкость принудительно течет с помощью насоса, вентилятора или других механических средств.

Тепловое излучение происходит через вакуум или любую прозрачную среду ( твердую , жидкую или газообразную ). Это передача энергии посредством фотонов или электромагнитных волн, подчиняющаяся тем же законам.

Обзор

См. Также: Физика теплопередачи.

Земли от облаков, атмосферы и поверхности. длинноволнового теплового излучения Интенсивность

Теплопередача – это обмен энергией между материалами (твердое тело/жидкость/газ) в результате разницы температур. Термодинамическая свободная энергия — это объем работы, которую может выполнить термодинамическая система. Энтальпия — это термодинамический потенциал , обозначаемый буквой «H», который представляет собой сумму внутренней энергии системы (U) плюс произведение давления (P) и объема (V). Джоуль — это единица измерения энергии , работы или количества тепла.

Теплопередача — это функция процесса (или функция пути), в отличие от функций состояния ; следовательно, количество тепла, передаваемого в термодинамическом процессе , который изменяет состояние системы , зависит от того, как происходит этот процесс, а не только от чистой разницы между начальным и конечным состояниями процесса.

Термодинамическая и механическая теплопередача рассчитывается с помощью коэффициента теплопередачи , пропорциональности между тепловым потоком и термодинамической движущей силой потока тепла. Тепловой поток — это количественное векторное представление теплового потока через поверхность.

В инженерном контексте термин «тепло» воспринимается как синоним тепловой энергии. Это употребление имеет свое начало в исторической интерпретации. тепла как жидкости ( калорийности ), которая может передаваться по разным причинам, и это также распространено в языке мирян и в повседневной жизни.

Уравнения переноса тепловой энергии ( закон Фурье ), механического импульса ( закон Ньютона для жидкостей ) и переноса массы ( законы диффузии Фика ) аналогичны: и аналогии между этими тремя транспортными процессами были разработаны, чтобы облегчить прогнозирование конверсии одного из них в другие.

Тепловая инженерия занимается производством, использованием, преобразованием, хранением и обменом теплопередачи. Таким образом, теплообмен задействован практически во всех секторах экономики. Перенос тепла подразделяется на различные механизмы, такие как теплопроводность , тепловая конвекция , тепловое излучение и передача энергии посредством фазовых переходов .

Механизмы

Четыре основных способа теплопередачи, проиллюстрированные на примере костра.

Основными способами теплопередачи являются:

Адвекция

Адвекция — это механизм транспортировки жидкости из одного места в другое, который зависит от движения и импульса этой жидкости.

Проводимость или диффузия

Передача энергии между объектами, находящимися в физическом контакте. Теплопроводность — это свойство материала проводить тепло, которое оценивается в первую очередь с точки зрения Фурье . закона теплопроводности

Конвекция

Передача энергии между объектом и окружающей его средой благодаря движению жидкости. Средняя температура является эталоном для оценки свойств, связанных с конвективной теплопередачей.

Радиация

Передача энергии путем излучения электромагнитного излучения .

Адвекция

При переносе материи энергия, включая тепловую, перемещается путем физического переноса горячего или холодного объекта из одного места в другое. Это может быть так же просто, как налить горячую воду в бутылку и нагреть постель или переместить айсберг в меняющихся океанских течениях. Практический пример – теплогидравлика . Это можно описать формулой: $$\phi _{q}=v\rho c_{p}\Delta T$$ где

• $\phi _{q}$ – тепловой поток (Вт/м ² ),
• $\rho$ плотность (кг/м ³ ),
• $c_{p}$ – теплоемкость при постоянном давлении (Дж/кг·К),
• $\Delta T$ - разница температур (К),
• $v$ — скорость (м/с).

проводимость

Основная статья: Теплопроводность

В микроскопическом масштабе теплопроводность происходит, когда горячие, быстро движущиеся или вибрирующие атомы и молекулы взаимодействуют с соседними атомами и молекулами, передавая часть своей энергии (тепла) этим соседним частицам. Другими словами, тепло передается за счет проводимости, когда соседние атомы колеблются друг против друга или когда электроны перемещаются от одного атома к другому. Проводимость является наиболее важным средством теплопередачи внутри твердого тела или между твердыми объектами, находящимися в тепловом контакте . Жидкости, особенно газы, обладают меньшей проводимостью. Тепловая контактная проводимость - это исследование теплопроводности между контактирующими твердыми телами. Процесс передачи тепла из одного места в другое без движения частиц называется проводимостью, например, при помещении руки на холодный стакан с водой — тепло передается от теплой кожи к холодному стеклу, но если рука если держать его на расстоянии нескольких дюймов от стекла, то проводимость будет незначительной, поскольку воздух является плохим проводником тепла. Стационарная проводимость — это идеализированная модель проводимости, которая возникает, когда разница температур, вызывающая проводимость, постоянна, так что через некоторое время пространственное распределение температур в проводящем объекте больше не меняется (см. закон Фурье ). При установившейся проводимости количество тепла, поступающего в секцию, равно количеству тепла, выходящего наружу, поскольку изменение температуры (мера тепловой энергии) равно нулю. Примером стационарной проводимости является поток тепла через стены теплого дома в холодный день: внутри дома поддерживается высокая температура, а снаружи температура остается низкой, поэтому передача тепла в единицу времени остается близкой к Постоянная скорость, определяемая изоляцией в стене, и пространственным распределением температуры в стенах будет примерно постоянной во времени.

Переходная проводимость (см. Уравнение теплопроводности ) возникает, когда температура внутри объекта изменяется в зависимости от времени. Анализ переходных систем более сложен, и аналитические решения уравнения теплопроводности действительны только для идеализированных модельных систем. Практическое применение обычно исследуется с использованием численных методов, методов аппроксимации или эмпирических исследований.

Конвекция

Основная статья: Конвективный теплообмен

Поток жидкости может быть вызван внешними процессами или иногда (в гравитационных полях) силами плавучести, возникающими, когда тепловая энергия расширяет жидкость (например, в шлейфе огня), влияя таким образом на ее собственный перенос. Последний процесс часто называют «естественной конвекцией». Все конвективные процессы также частично переносят тепло за счет диффузии. Другая форма конвекции – вынужденная конвекция. В этом случае жидкость принудительно течет с помощью насоса, вентилятора или других механических средств.

Конвективный теплообмен , или просто конвекция, — это перенос тепла из одного места в другое посредством движения жидкостей , процесс, который по сути представляет собой передачу тепла посредством массопереноса . Объемное движение жидкости усиливает теплообмен во многих физических ситуациях, например, между твердой поверхностью и жидкостью. Конвекция обычно является доминирующей формой теплопередачи в жидкостях и газах. Хотя конвекцию иногда называют третьим методом теплопередачи, она обычно используется для описания комбинированного эффекта теплопроводности внутри жидкости (диффузии) и теплопередачи за счет потока объемной жидкости. Процесс переноса потоком жидкости известен как адвекция, но чистая адвекция — это термин, который обычно ассоциируется только с переносом массы в жидкостях, например, с адвекцией гальки в реке. В случае теплопередачи в жидкостях, где перенос тепла в жидкости всегда сопровождается переносом тепла диффузией (также известной как теплопроводность), под процессом тепловой конвекции понимают сумму переноса тепла путем адвекции и теплопередачи. диффузия/проводимость.

Свободная, или естественная, конвекция возникает, когда объемные движения жидкости (потоки и течения) вызываются силами плавучести, возникающими в результате изменений плотности из-за изменений температуры в жидкости. Вынужденная конвекция — это термин, используемый, когда потоки и течения в жидкости вызываются внешними средствами, такими как вентиляторы, мешалки и насосы, создавая искусственно индуцированный конвекционный ток.

Конвекционное охлаждение

Смотрите также: число Нуссельта

Конвективное охлаждение иногда называют законом охлаждения Ньютона :

Скорость потери тепла телом пропорциональна разнице температур между телом и окружающей средой .

Однако по определению справедливость закона охлаждения Ньютона требует, чтобы скорость потерь тепла из-за конвекции была линейной функцией («пропорциональной») разности температур, которая обеспечивает теплообмен, а при конвективном охлаждении это иногда не так. . В общем случае конвекция не зависит линейно от градиентов температуры , а в некоторых случаях является сильно нелинейной. В этих случаях закон Ньютона не применяется.

Конвекция против проводимости

В теле жидкости, которое нагревается снизу контейнера, можно считать, что проводимость и конвекция конкурируют за доминирование. Если теплопроводность слишком велика, жидкость, движущаяся вниз за счет конвекции, нагревается за счет проводимости настолько быстро, что ее движение вниз будет остановлено из-за ее плавучести , в то время как жидкость, движущаяся вверх за счет конвекции, охлаждается за счет проводимости так быстро, что ее движущая плавучесть уменьшится. С другой стороны, если теплопроводность очень низкая, может образоваться большой градиент температуры и конвекция может быть очень сильной.

Число Рэлея ( $\mathrm {Ra}$) является произведением Грасгофа ( $\mathrm {Gr}$) и Прандтль ( $\mathrm {Pr}$) числа. Это мера, определяющая относительную силу проводимости и конвекции.

$$\mathrm {Ra} =\mathrm {Gr} \cdot \mathrm {Pr} ={\frac {g\Delta \rho L^{3}}{\mu \alpha }}={\frac {g\beta \Delta TL^{3}}{\nu \alpha }}$$ где

• g – ускорение свободного падения,
• ρ — плотность с $\Delta \rho$ представляет собой разницу плотности между нижним и верхним концами,
• μ — динамическая вязкость ,
• α – коэффициент температуропроводности ,
• β - объемное тепловое расширение (иногда обозначается в других местах как α ),
• Т – температура,
• ν — кинематическая вязкость ,
• L – характерная длина.

Число Рэлея можно понимать как отношение скорости передачи тепла конвекцией к скорости передачи тепла путем проводимости; или, что то же самое, соотношение между соответствующими временными масштабами (т.е. временной масштаб проводимости, разделенный на временной масштаб конвекции) с точностью до числового коэффициента. Это можно увидеть следующим образом, где все расчеты сводятся к числовым коэффициентам в зависимости от геометрии системы.

Выталкивающая сила, вызывающая конвекцию, примерно равна $g\Delta \rho L^{3}$, поэтому соответствующее давление примерно $g\Delta \rho L$. В устойчивом состоянии это компенсируется напряжением сдвига из-за вязкости и, следовательно, примерно равно $\mu V/L=\mu /T_{\text{conv}}$, где V — типичная скорость жидкости вследствие конвекции и $T_{\text{conv}}$ порядок его временных рамок. С другой стороны, сроки проведения составляют порядка $T_{\text{cond}}=L^{2}/\alpha$.

Конвекция возникает, когда число Рэлея превышает 1000–2000.

Радиация

Раскаленный железный предмет, передающий тепло окружающей среде посредством теплового излучения.

Радиационная теплопередача — это передача энергии посредством теплового излучения , т. е. электромагнитных волн . Это происходит в вакууме или любой прозрачной среде ( твердой , жидкой или газовой ). Тепловое излучение излучается всеми объектами при температуре выше абсолютного нуля из-за случайного движения атомов и молекул в веществе. Поскольку эти атомы и молекулы состоят из заряженных частиц ( протонов и электронов ), их движение приводит к излучению электромагнитного излучения , которое уносит энергию. Излучение обычно важно только в инженерных приложениях для очень горячих объектов или объектов с большой разницей температур.

Когда объекты и расстояния, разделяющие их, имеют большие размеры и по сравнению с длиной волны теплового излучения, скорость передачи лучистой энергии лучше всего описывается уравнением Стефана-Больцмана . Для объекта в вакууме уравнение имеет вид: $$\phi _{q}=\epsilon \sigma T^{4}.$$

Для переноса излучения между двумя объектами уравнение выглядит следующим образом: $$\phi _{q}=\epsilon \sigma F(T_{a}^{4}-T_{b}^{4}),$$ где

• $\phi _{q}$ это тепловой поток ,
• $\epsilon$ – излучательная способность (единица для черного тела ),
• $\sigma$ – постоянная Стефана–Больцмана ,
• $F$ - коэффициент обзора между двумя поверхностями a и b, и
• $T_{a}$ и $T_{b}$ — абсолютные температуры (в кельвинах или градусах Рэнкина ) для двух объектов.

Предел черного тела, установленный уравнением Стефана-Больцмана, может быть превышен, когда объекты, обменивающиеся тепловым излучением, или расстояния, разделяющие их, сопоставимы по масштабу или меньше, чем доминирующая тепловая длина волны . Исследование этих случаев называется ближнепольной радиационной теплопередачей .

Солнечное излучение или солнечную радиацию можно использовать для получения тепла и электроэнергии. В отличие от кондуктивных и конвективных форм теплопередачи, тепловое излучение, приходящее под узким углом, т.е. исходящее от источника, значительно меньшего, чем его расстояние, может быть сконцентрировано в небольшом пятне с помощью отражающих зеркал, что используется для концентрации выработки солнечной энергии или горящее стекло . Например, солнечный свет, отраженный от зеркал, нагревает солнечную электростанцию ​​PS10 , а в течение дня она может нагревать воду до 285 °C (545 °F).

Достижимая температура на мишени ограничена температурой горячего источника излучения. (Т ⁴ (на его поверхности) с температурой около 4000 К Горячее солнце позволяет грубо достичь температуры 3000 К (или 3000 °C, что составляет около 3273 К) на небольшом зонде в фокусное пятно большого вогнутого концентрирующего зеркала солнечной печи Мон-Луи во Франции.

Фазовый переход

Молния — это хорошо заметная форма передачи энергии и пример плазмы, присутствующей на поверхности Земли. Обычно молния разряжает 30 000 ампер при напряжении до 100 миллионов вольт и излучает свет, радиоволны, рентгеновские лучи и даже гамма-лучи. Температура плазмы в молнии может достигать 28 000 кельвинов (27 726,85 ° C) (49 940,33 ° F), а плотность электронов может превышать 10. ²⁴ м ⁻³ .

Фазовый переход или фазовое изменение происходит в термодинамической системе из одной фазы или состояния вещества в другое путем теплопередачи. Примерами фазового перехода являются таяние льда или кипение воды. Уравнение Мейсона объясняет рост капли воды, основываясь на влиянии переноса тепла на испарение и конденсацию.

Фазовые переходы затрагивают четыре фундаментальных состояния материи :

• Твердое вещество – осаждение, замораживание и превращение твердого вещества в твердое.
• Жидкость – Конденсация и плавление/плавление .
• Газ – Кипение/испарение, рекомбинация / деионизация и сублимация .
• Плазма – ионизация .

Кипение

Ядерное кипение воды.

Точка кипения вещества — это температура, при которой давление пара жидкости равно давлению, окружающему жидкость. и жидкость испаряется, что приводит к резкому изменению объема пара.

В закрытой системе температура насыщения и точка кипения означают одно и то же. Температура насыщения — это температура соответствующего давления насыщения, при которой жидкость переходит в паровую фазу. Можно сказать, что жидкость насыщена тепловой энергией. Любое добавление тепловой энергии приводит к фазовому переходу.

При стандартном атмосферном давлении и низких температурах кипения не происходит и скорость теплопередачи контролируется обычными однофазными механизмами. По мере повышения температуры поверхности происходит локальное кипение, и пузырьки пара зарождаются, прорастают в окружающую более холодную жидкость и схлопываются. Это пузырьковое кипение при переохлаждении , которое является очень эффективным механизмом теплопередачи. При высоких скоростях образования пузырьков пузырьки начинают интерферировать, и тепловой поток больше не увеличивается быстро с ростом температуры поверхности (это отклонение от пузырькового кипения , или ДНБ).

При подобных стандартном атмосферном давлении и высоких температурах гидродинамически более спокойный режим пленочного кипения достигается . Тепловые потоки через стабильные слои пара невелики, но медленно растут с температурой. Любой видимый контакт жидкости с поверхностью, вероятно, приводит к чрезвычайно быстрому зарождению слоя свежего пара («спонтанному зародышеобразованию »). При еще более высоких температурах достигается максимум теплового потока ( критический тепловой поток или CHF).

Эффект Лейденфроста демонстрирует, как пузырьковое кипение замедляет передачу тепла из-за пузырьков газа на поверхности нагревателя. Как уже упоминалось, теплопроводность газовой фазы намного ниже, чем теплопроводность жидкой фазы, поэтому в результате получается своего рода «газовый тепловой барьер ».

Конденсат

Конденсация происходит, когда пар охлаждается и переходит в жидкость. При конденсации скрытая теплота испарения должна высвобождаться. Количество тепла такое же, как и поглощенное при испарении при том же давлении жидкости.

Существует несколько видов конденсата:

• Однородный конденсат, как при образовании тумана.
• Конденсация при прямом контакте с переохлажденной жидкостью.
• Конденсат при прямом контакте с охлаждающей стенкой теплообменника. Это наиболее распространенный режим, используемый в промышленности:
  • Пленочная конденсация – это образование пленки жидкости на переохлажденной поверхности, которая обычно возникает, когда жидкость смачивает поверхность.
  • Капельная конденсация – это когда капли жидкости образуются на переохлажденной поверхности и обычно возникает, когда жидкость не смачивает поверхность.
  Капельную конденсацию трудно поддерживать надежно; поэтому промышленное оборудование обычно проектируется для работы в режиме пленочной конденсации.

плавление

Таяние льда

Плавление — термический процесс, в результате которого происходит фазовый переход вещества из твердого состояния в жидкость . вещества Внутренняя энергия увеличивается, обычно за счет тепла или давления, что приводит к повышению его температуры до точки плавления , при которой упорядоченность ионных или молекулярных образований в твердом теле нарушается до менее упорядоченного состояния, и твердое вещество превращается в жидкость. . Расплавленные вещества обычно имеют пониженную вязкость при повышении температуры; Исключением из этого правила является элемент сера , вязкость которого увеличивается до некоторой степени из-за полимеризации , а затем уменьшается с повышением температуры в расплавленном состоянии.

Подходы к моделированию

Теплообмен можно моделировать различными способами.

Уравнение теплопроводности

Уравнение теплопроводности — это важное дифференциальное уравнение в частных производных , которое описывает распределение тепла (или изменение температуры) в данной области с течением времени. В некоторых случаях доступны точные решения уравнения; в других случаях уравнение должно быть решено численно с использованием вычислительных методов, таких как модели на основе DEM для термических/реагирующих систем частиц (как критически рассмотрено Peng et al. ).

Сосредоточенный системный анализ

Анализ сосредоточенных систем часто сводит сложность уравнений к одному линейному дифференциальному уравнению первого порядка, и в этом случае нагрев и охлаждение описываются простым экспоненциальным решением, часто называемым законом охлаждения Ньютона .

Системный анализ с помощью модели сосредоточенной емкости является распространенным приближением переходной проводимости, которое можно использовать, когда теплопроводность внутри объекта намного быстрее, чем теплопроводность через границу объекта. Это метод аппроксимации, который сводит один аспект переходной системы проводимости — внутри объекта — к эквивалентной стационарной системе. То есть метод предполагает, что температура внутри объекта полностью однородна, хотя ее значение может меняться во времени.

отношение сопротивления кондуктивной теплопередаче внутри объекта к сопротивлению конвективной теплопередаче через границу объекта, известное как число Био В этом методе рассчитывается . Для малых чисел Био можно использовать приближение пространственно однородной температуры внутри объекта : можно предположить, что переданное в объект тепло успевает равномерно распределиться за счет меньшего сопротивления этому по сравнению с сопротивлением тепло, попадающее в объект.

Климатические модели

Климатические модели изучают лучистую передачу тепла , используя количественные методы для моделирования взаимодействия атмосферы, океанов, поверхности суши и льда.

Инженерное дело

Тепловое воздействие как часть испытания огнезащитной продукции на огнестойкость

Теплопередача имеет широкое применение в функционировании многочисленных устройств и систем. Принципы теплопередачи могут использоваться для сохранения, повышения или понижения температуры в самых разных обстоятельствах. Методы теплопередачи используются во многих дисциплинах, таких как автомобилестроение , терморегулирование электронных устройств и систем , климат-контроль , изоляция , обработка материалов , химическая технология и проектирование электростанций .

Изоляция, излучение и сопротивление

Теплоизоляторы — это материалы, специально разработанные для уменьшения потока тепла за счет ограничения проводимости, конвекции или того и другого. Термическое сопротивление — это тепловое свойство и измерение, с помощью которого объект или материал сопротивляется тепловому потоку (тепло в единицу времени или термическое сопротивление) разнице температур.

Излучение или спектральное излучение являются мерой количества излучения, которое проходит или испускается. Лучистые барьеры — это материалы, которые отражают излучение и, следовательно, уменьшают поток тепла от источников излучения. Хорошие изоляторы не обязательно являются хорошими лучистыми барьерами, и наоборот. Металл, например, является отличным отражателем и плохим изолятором.

Эффективность лучистого барьера определяется его отражательной способностью , которая представляет собой долю отраженного излучения. Материал с высокой отражательной способностью (на данной длине волны) имеет низкую излучательную способность (на той же длине волны), и наоборот. На любой конкретной длине волны отражательная способность=1 – излучательная способность. Идеальный лучистый барьер должен иметь коэффициент отражения 1 и, следовательно, отражать 100 процентов поступающего излучения. вакуумные колбы или сосуды Дьюара посеребрены Чтобы приблизиться к этому идеалу, . В космическом вакууме спутники используют многослойную изоляцию , состоящую из множества слоев алюминизированного (блестящего) майлара , позволяющего значительно снизить радиационную теплопередачу и контролировать температуру спутника.

Устройства

Схема потока энергии в тепловой машине.

Тепловой двигатель — это система, осуществляющая преобразование потока тепловой энергии (тепла) в механическую энергию для совершения механической работы .

Термопара — это устройство для измерения температуры и широко используемый тип датчика температуры для измерения и контроля, а также может использоваться для преобразования тепла в электроэнергию.

Термоэлектрический охладитель — это полупроводниковое электронное устройство, которое перекачивает (переносит) тепло от одной стороны устройства к другой при прохождении через него электрического тока. Он основан на эффекте Пельтье .

или Термический диод термовыпрямитель — это устройство, которое заставляет тепло течь преимущественно в одном направлении.

Теплообменники

Теплообменник . используется для более эффективной теплопередачи или для рассеивания тепла Теплообменники широко используются в холодильном оборудовании , кондиционировании воздуха , отоплении помещений , производстве электроэнергии и химической обработке. Одним из распространенных примеров теплообменника является радиатор автомобиля, в котором горячая охлаждающая жидкость охлаждается потоком воздуха над поверхностью радиатора.

Распространенные типы потоков теплообменников включают параллельный поток, противоток и перекрестный поток. В параллельном потоке обе жидкости движутся в одном направлении, передавая тепло; при встречном потоке жидкости движутся в противоположных направлениях; а в поперечном потоке жидкости движутся под прямым углом друг к другу. Распространенные типы теплообменников включают кожухотрубные , двухтрубные , экструдированные оребренные трубы, трубы со спиральными оребрениями, U-образные трубы и многослойные пластинчатые теплообменники. Каждый тип имеет определенные преимущества и недостатки по сравнению с другими типами.

Радиатор — это компонент, который передает тепло, выделяемое внутри твердого материала, в жидкую среду, такую ​​как воздух или жидкость. Примерами радиаторов являются теплообменники, используемые в системах охлаждения и кондиционирования воздуха, или радиатор в автомобиле. — Тепловая трубка это еще одно устройство теплопередачи, которое сочетает в себе теплопроводность и фазовый переход для эффективной передачи тепла между двумя твердыми границами раздела.

Приложения

Архитектура

Эффективное использование энергии – это цель снижения количества энергии, необходимой для отопления или охлаждения. В архитектуре конденсат и воздушные потоки могут нанести косметический или структурный ущерб. Энергоаудит может помочь оценить выполнение рекомендуемых корректирующих процедур. Например, улучшение изоляции, герметизация структурных протечек или установка энергоэффективных окон и дверей.

• Умный счетчик – это устройство, которое записывает потребление электроэнергии . периодически
• Коэффициент теплопередачи — это скорость передачи тепла через конструкцию, деленная на разницу температур по всей конструкции. Выражается в ваттах на квадратный метр на кельвин или Вт/(м ² К). Хорошо изолированные части здания имеют низкий коэффициент теплопередачи, тогда как плохо изолированные части здания имеют высокий коэффициент теплопередачи.
• Термостат – это устройство для контроля и регулирования температуры.

Климатическая инженерия

См. Также: Антропогенная жара.

Пример применения в климатической инженерии включает создание биоугля в процессе пиролиза . Таким образом, хранение парниковых газов в углероде снижает мощность радиационного воздействия в атмосфере, вызывая увеличение количества длинноволнового ( инфракрасного ) излучения в космосе.

Климатическая инженерия состоит из удаления углекислого газа и управления солнечной радиацией . Поскольку количество углекислого газа определяет радиационный баланс можно применять методы удаления углекислого газа земной атмосферы, для уменьшения радиационного воздействия . Управление солнечной радиацией – это попытка поглощать меньше солнечной радиации, чтобы компенсировать воздействие парниковых газов .

Альтернативный метод — пассивное дневное радиационное охлаждение , которое усиливает земной поток тепла в космическое пространство через инфракрасное окно (8–13 мкм). Вместо того, чтобы просто блокировать солнечное излучение, этот метод увеличивает исходящего длинноволнового инфракрасного (LWIR) теплового излучения теплопередачу с чрезвычайно низкой температурой космического пространства (~ 2,7 К ) для снижения температуры окружающей среды, не требуя при этом нулевых затрат энергии.

Парниковый эффект

Представление обмена энергией между источником ( Солнцем ), поверхностью Земли, атмосферой Земли и конечным поглотителем космического пространства . Способность атмосферы перенаправлять и перерабатывать Энергия, излучаемая поверхностью Земли, является определяющей характеристикой парникового эффекта.

Парниковый эффект — это процесс, при котором тепловое излучение поверхности планеты поглощается атмосферными парниковыми газами и облаками и повторно излучается во всех направлениях, что приводит к уменьшению количества теплового излучения, достигающего космоса, по сравнению с тем, которое могло бы достичь космоса. при отсутствии поглощающих материалов. Это уменьшение исходящей радиации приводит к повышению температуры поверхности и тропосферы до тех пор, пока скорость исходящей радиации снова не сравняется со скоростью поступления тепла от Солнца.

Теплообмен в организме человека

См. Также: Температура по влажному термометру.

Принципы теплопередачи в технических системах можно применить к телу человека, чтобы определить, как тело передает тепло. Тепло вырабатывается в организме в результате непрерывного метаболизма питательных веществ, которые обеспечивают энергию для систем организма. Человеческое тело должно поддерживать постоянную внутреннюю температуру, чтобы поддерживать здоровые функции организма. Поэтому избыточное тепло необходимо отводить от тела, чтобы оно не перегревалось. Когда человек занимается повышенным уровнем физической активности, организму требуется дополнительное топливо, которое увеличивает скорость обмена веществ и скорость выработки тепла. Затем организм должен использовать дополнительные методы для удаления дополнительного тепла, чтобы поддерживать внутреннюю температуру на здоровом уровне.

Передача тепла конвекцией осуществляется за счет движения жидкостей по поверхности тела. Эта конвективная жидкость может быть жидкостью или газом. При передаче тепла от внешней поверхности тела механизм конвекции зависит от площади поверхности тела, скорости воздуха и градиента температуры между поверхностью кожи и окружающим воздухом. Нормальная температура тела составляет около 37°C. Теплопередача происходит легче, когда температура окружающей среды значительно ниже нормальной температуры тела. Эта концепция объясняет, почему человек чувствует холод, когда на нем недостаточно укрытия, когда он находится в холодной среде. Одежду можно рассматривать как изолятор, обеспечивающий тепловое сопротивление тепловому потоку через закрытую часть тела. Это термическое сопротивление приводит к тому, что температура на поверхности одежды становится меньше, чем температура на поверхности кожи. Этот меньший температурный градиент между температурой поверхности и температурой окружающей среды приведет к более низкой скорости теплопередачи, чем если бы кожа не была покрыта.

Чтобы гарантировать, что одна часть тела не будет значительно горячее другой, тепло должно распределяться равномерно по тканям тела. Кровь, текущая по кровеносным сосудам, действует как конвективная жидкость и помогает предотвратить накопление избыточного тепла внутри тканей тела. Этот поток крови по сосудам можно смоделировать как поток трубопроводов в инженерной системе. Тепло, переносимое кровью, определяется температурой окружающей ткани, диаметром кровеносного сосуда, толщиной жидкости , скоростью потока и коэффициентом теплоотдачи крови. Скорость, диаметр кровеносных сосудов и толщина жидкости могут быть связаны с числом Рейнольдса — безразмерным числом, используемым в механике жидкостей для характеристики потока жидкостей.

Скрытая потеря тепла, также известная как потеря тепла за счет испарения, составляет большую часть потерь тепла организмом. Когда внутренняя температура тела повышается, организм запускает работу потовых желез в коже, чтобы доставить дополнительную влагу на поверхность кожи. Затем жидкость превращается в пар, который отводит тепло от поверхности тела. Скорость потерь тепла при испарении напрямую связана с давлением пара на поверхности кожи и количеством влаги, присутствующей на коже. Поэтому максимум теплоотдачи будет происходить при полном увлажнении кожи. Организм постоянно теряет воду за счет испарения, но наиболее значительная потеря тепла происходит в периоды повышенной физической активности.

Методы охлаждения

Испарительное охлаждение

Традиционный воздухоохладитель в Мирзапуре , Уттар-Прадеш , Индия.

Испарительное охлаждение происходит, когда водяной пар добавляется в окружающий воздух. воздуха остается постоянной Энергия, необходимая для испарения воды, берется из воздуха в виде явного тепла и преобразуется в скрытое тепло, при этом энтальпия . Скрытое тепло описывает количество тепла, необходимое для испарения жидкости; это тепло исходит от самой жидкости, окружающего газа и поверхностей. Чем больше разница между двумя температурами, тем больше эффект испарительного охлаждения. При одинаковых температурах суммарного испарения воды в воздухе не происходит; таким образом, охлаждающий эффект отсутствует.

Лазерное охлаждение

В квантовой физике лазерное охлаждение используется для достижения температур, близких к абсолютному нулю (-273,15 ° C, -459,67 ° F) атомных и молекулярных образцов, для наблюдения уникальных квантовых эффектов , которые могут возникнуть только на этом уровне тепла.

• Доплеровское охлаждение — наиболее распространенный метод лазерного охлаждения.
• Симпатическое охлаждение — это процесс, при котором частицы одного типа охлаждают частицы другого типа. Обычно атомарные ионы, которые можно непосредственно охладить лазером, используются для охлаждения близлежащих ионов или атомов. Этот метод позволяет охлаждать ионы и атомы, которые невозможно охладить напрямую лазером.

Магнитное охлаждение

Основные статьи: Магнитное охлаждение и Магнитное испарительное охлаждение.

Магнитно-испарительное охлаждение — это процесс снижения температуры группы атомов после предварительного охлаждения такими методами, как лазерное охлаждение. Магнитное охлаждение охлаждает до температуры ниже 0,3К за счет использования магнитокалорического эффекта .

Радиационное охлаждение

Радиационное охлаждение — это процесс, при котором тело теряет тепло за счет излучения. Исходящая энергия является важным фактором в энергетическом балансе Земли . В случае системы Земля-атмосфера это относится к процессу, посредством которого испускается длинноволновое (инфракрасное) излучение, чтобы сбалансировать поглощение коротковолновой (видимой) энергии Солнца. Термосфера (верхняя часть атмосферы) охлаждается в космос в основном за счет инфракрасной энергии, излучаемой углекислым газом (CO ₂ ) на длине волны 15 мкм и оксидом азота (NO) на длине волны 5,3 мкм. Конвективный перенос тепла и испарительный перенос скрытого тепла отводят тепло от поверхности и перераспределяют его в атмосфере.

Хранение тепловой энергии

Хранение тепловой энергии включает в себя технологии сбора и хранения энергии для последующего использования. Его можно использовать для балансировки энергопотребления в дневное и ночное время. Термальный резервуар может поддерживаться при температуре выше или ниже температуры окружающей среды. Приложения включают отопление помещений, бытовые или технологические системы горячего водоснабжения, а также выработку электроэнергии.

История

Основная статья: закон охлаждения Ньютона

Закон охлаждения Ньютона

Исаак Ньютон

Закон охлаждения Ньютона. T ₀ = исходная температура, T _R = температура окружающей среды, t = время

В 1701 году Исаак Ньютон » статью, в анонимно опубликовал в журнале «Philosophical Transactions которой отметил (в современных терминах), что скорость изменения температуры тела пропорциональна разнице температур ( graduum Caloris , «градусы тепла») между телом и его окружением. . Фраза «изменение температуры» позже была заменена на «потеря тепла», и эта зависимость получила название закона охлаждения Ньютона. В общем случае закон справедлив лишь в том случае, если разность температур невелика и механизм теплопередачи остается прежним.

Теплопроводность

В теплопроводности закон справедлив только в том случае, если теплопроводность более нагретого тела не зависит от температуры. Теплопроводность большинства материалов слабо зависит от температуры, поэтому в целом закон справедлив.

Тепловая конвекция

При конвективной теплопередаче закон справедлив для принудительного охлаждения воздухом или перекачиваемой жидкостью, когда свойства жидкости не сильно изменяются с температурой, но он справедлив лишь приблизительно для конвекции, вызванной плавучестью, когда скорость потока увеличивается с ростом температуры. разница температур.

Тепловое излучение

В случае теплопередачи тепловым излучением закон охлаждения Ньютона справедлив лишь при очень малых перепадах температур.

Теплопроводность разных металлов

Ян Ингенхауз

Прибор для измерения относительной теплопроводности различных металлов

В письме Бенджамину Франклину 1780 года британский ученый голландского происхождения Ян Ингенхауз рассказывает об эксперименте, который позволил ему ранжировать семь различных металлов в зависимости от их теплопроводности:

Вы помните, что дали мне проволоку из пяти металлов, протянутую через одно и то же отверстие, а именно? один из золота, другой из серебра, меди, стали и железа. Я предоставил сюда два других, а именно. один из олова, другой из свинца. Эти семь проволок я закрепил в деревянную рамку на равном расстоянии друг от друга... Я окунул семь проволок в этот расплавленный воск на глубину, равную деревянной рамке... Вынув их, они покрылись слоем воска. ... Когда я обнаружил, что эта корка была примерно одинаковой толщины на всех проводах, я поместил их все в застекленный глиняный сосуд, полный оливкового масла, нагретого до нескольких градусов при кипении, следя за тем, чтобы каждый провод был погружен одинаково далеко в масле, как и другие... Теперь, поскольку все они были одновременно погружены в одно и то же масло, из этого следует, что проволока, на которой воск был расплавлен выше всего, была лучшей проводник тепла. ... Серебро проводило тепло далеко лучше всех других металлов, рядом с ним шла медь, затем золото, олово, железо, сталь, Свинец.

Эксперименты Бенджамина Томпсона по теплопередаче

Смотрите также: Бенджамин Томпсон § Эксперименты с теплом

Бенджамин Томпсон

В 1784–1798 годах жил британский физик Бенджамин Томпсон (граф Румфорд) в Баварии , занимавшийся реорганизацией баварской армии для курфюрста Чарльза Теодора, среди других официальных и благотворительных обязанностей. Курфюрст предоставил Томпсону доступ к помещениям Избирательной академии наук в Мангейме . За годы работы в Мангейме, а затем в Мюнхене Томпсон сделал большое количество открытий и изобретений, связанных с теплом.

Эксперименты по проводимости

«Новые эксперименты с теплом»

В 1785 году Томпсон выполнил серию экспериментов по теплопроводности, которые он очень подробно описывает в статье «Новые эксперименты с теплотой» в журнале «Philosophical Transactions » 1786 года. Тот факт, что хорошие электрические проводники часто являются также хорошими проводниками тепла , и наоборот, должен был быть хорошо известен в то время, поскольку Томпсон упоминает об этом вскользь. Его намерением было измерить относительную проводимость ртути, воды, влажного воздуха, «обычного воздуха» (сухого воздуха при нормальном атмосферном давлении), сухого воздуха различной разреженности и « торричеллиева вакуума ».

Из поразительной аналогии между электрической жидкостью и теплотой в отношении их проводников и непроводников (найдя, что тела вообще, являющиеся проводниками электрической жидкости, также являются хорошими проводниками тепла и, наоборот, что электрические тела или те, которые являются плохими проводниками электрической жидкости, также являются плохими проводниками тепла), я был вынужден вообразить, что торричеллиев вакуум, который, как известно, обеспечивает столь легкий проход для электрической жидкости, также предоставил бы готовый доступ к электрической жидкости. переход на тепло.

Середина	Относительная проводимость
Меркурий	1000
Влажный воздух	330
Вода	313
Сухой воздух (1 атм)	80.41
Сухой воздух (1/4 атм)	80.23
Сухой воздух (1/24 атм)	78
Торричеллиан вакуум	55

Для этих экспериментов Томпсон использовал термометр внутри большой закрытой стеклянной трубки. В описанных обстоятельствах тепло могло — без ведома Томпсона — передаваться скорее посредством излучения , чем посредством проводимости . Это были его результаты.

После экспериментов Томпсон с удивлением заметил, что вакуум является значительно худшим проводником тепла, чем воздух, «который сам по себе считается одним из худших». но лишь очень небольшая разница между обычным воздухом и разреженным воздухом. Он также отметил большую разницу между сухим и влажным воздухом. и какую огромную выгоду это дает.

Я не могу не заметить, с какой бесконечной мудростью и добротой Божественное Провидение, по-видимому, охранило нас от пагубных последствий чрезмерной жары и холода в атмосфере; ибо если бы было возможно, чтобы воздух был одинаково влажным во время сурового холода зимы... как это иногда бывает летом, то его проводящая сила и, следовательно, его кажущаяся холодность... стали бы совершенно невыносимыми; но, к счастью для нас, его способность удерживать воду в растворе уменьшается, а вместе с этим и его способность отнимать у нас наше животное тепло.

Всякий знает, как неприятна очень умеренная степень холода, когда воздух очень влажный; Отсюда становится очевидным, почему термометр не всегда является точным показателем кажущегося или ощутимого тепла атмосферы. Если простуды... вызваны тем, что наши тела лишаются животного тепла, то причина ясна, почему эти расстройства преобладают больше всего во время холодных осенних дождей и после того, как весной разойдутся морозы. Также ясно, [почему] ... жить в сырых домах очень опасно; и почему так губителен вечерний воздух летом... и почему не так губителен в сильные зимние морозы.

Замерзающий воздух против замерзающей воды

Температура против явного тепла

В заключение Томпсон сделал несколько комментариев о важной разнице между температурой и явным теплом .

Ощущение горячего или холодного зависит не целиком от температуры тела, вызывающего в нас эти ощущения... а от количества тепла, которое оно способно сообщить нам или получить от нас... и это зависит в значительной степени от проводящей способности рассматриваемых тел. Ощущение горячего — это проникновение тепла в наши тела; выход холода... Это еще одно доказательство того, что термометр не может быть справедливой мерой ощутимого тепла... или, скорее, что прикосновение не дает нам точного указания... реальных температур.

Возникновение термина «конвекция».

Уильям Праут

Камин с решеткой и дымоходом

В 1830-х годах в «Бриджуотерских трактатах » термин «конвекция» засвидетельствован в научном смысле. В восьмом трактате Уильяма Праута из книги по химии говорится:

Это движение тепла происходит тремя способами, что очень хорошо иллюстрирует обычный камин. Если, например, мы поместим термометр непосредственно перед огнем, он вскоре начнет подниматься, указывая на повышение температуры. В этом случае тепло проникло через пространство между огнем и термометром в результате процесса, называемого излучением . Если мы поместим второй термометр в контакт с какой-либо частью решетки и вдали от прямого воздействия огня, мы обнаружим, что этот термометр также указывает на повышение температуры; но здесь тепло должно было пройти через металл решетки за счет так называемой проводимости . Наконец, третий термометр, помещенный в дымоход, вдали от прямого воздействия огня, также укажет на значительное повышение температуры; в этом случае часть воздуха, проходя через огонь и рядом с ним, нагревалась и поднимала дымоход до температуры, полученной от огня. В настоящее время в нашем языке нет единого термина, обозначающего этот третий способ распространения тепла; но мы рискнем предложить для этой цели термин конвекция , [в сноске: [лат. Convectio , перенос или транспортировка], которая не только выражает главный факт, но также очень хорошо согласуется с двумя другими терминами.

Позже, в том же трактате VIII, в книге по метеорологии , понятие конвекции применяется и к «процессу передачи тепла через воду».

См. также

• Комбинированная принудительная и естественная конвекция.
• Теплоемкость
• Улучшение теплопередачи
• Физика теплопередачи
• Закон Стефана – Больцмана
• Тепловая контактная проводимость
• Тепловая физика
• Термическое сопротивление

Ссылки

• Мартин, Томас (1951). «Экспериментальные исследования Бенджамина Томпсона, графа Румфорда» . Бюллетень Британского общества истории науки . 1 (6): 144–158). дои : 10.1017/S0950563600000567 . JSTOR   4024834 .
• Томпсон, Бенджамин (1 января 1786 г.). «XIV. Новые эксперименты с теплом. Полковник сэр Бенджамин Томпсон, рыцарь FRS. В письме сэру Джозефу Бэнксу, Барту. PRS» Философские труды Лондонского королевского общества . 76 : 273–304. дои : 10.1098/rstl.1786.0014 .

Внешние ссылки

• Учебник по теплопередаче - (скачать бесплатно).
• Thermal-FluidsPedia — онлайн-энциклопедия тепловых жидкостей.
• Гиперфизическая статья о теплопередаче — обзор
• Межсезонная теплопередача — практический пример использования теплопередачи для обогрева зданий без сжигания ископаемого топлива.
• Аспекты теплопередачи, Кембриджский университет
• Тепловые жидкости Центральный
• Energy2D: интерактивное моделирование теплопередачи для всех