ТЕПЛООБМЕН: ЗАКОНЫ, ФОРМЫ ПЕРЕДАЧИ, ПРИМЕРЫ - ФИЗИЧЕСКИЙ - 2026

Когда энергия переходит от одного тела к другому, происходит передача тепла из-за разницы температур между ними. Процесс теплопередачи прекращается, как только температуры соприкасающихся тел становятся равными или когда контакт между ними прекращается.

Количество энергии, передаваемой от одного тела к другому за определенный период времени, называется переданным теплом. Одно тело может отдавать тепло другому или поглощать его, но тепло всегда идет от тела с самой высокой температурой к телу с самой низкой температурой.

Рис. 1. В костре есть три механизма передачи тепла: теплопроводность, конвекция и излучение. Источник: Pixabay.

Единицы тепла такие же, как и у энергии, и в международной системе измерений (СИ) это джоуль (Дж). Другими часто используемыми единицами тепла являются калории и БТЕ.

Что касается математических законов, управляющих теплопередачей, они зависят от механизма, участвующего в обмене.

Когда тепло передается от одного тела к другому, скорость теплообмена пропорциональна разнице температур. Это известно как закон теплопроводности Фурье, который приводит к закону охлаждения Ньютона.

Формы / механизмы передачи тепла

Это способы обмена теплом между двумя телами. Различают три механизма:

-Вождение

-Конвекция

-Излучение

В горшке, подобном изображенному на рисунке выше, есть три механизма теплопередачи:

-Металл в горшке нагревается в основном за счет теплопроводности.

-Вода и воздух нагреваются и поднимаются конвекцией.

-Люди возле кастрюли нагреваются излучаемой радиацией.

Вождение

Теплопроводность происходит в основном в твердых телах и, в частности, в металлах.

Например, плита на кухне передает тепло пище внутри кастрюли через механизм теплопроводности через металл дна и металлические стенки емкости. В теплопроводности нет переноса материала, только энергия.

конвекция

Механизм конвекции типичен для жидкостей и газов. Они почти всегда менее плотны при более высоких температурах, по этой причине происходит восходящий перенос тепла от более горячих частей текучей среды к более высоким областям с более холодными частями текучей среды. В конвекционном механизме происходит транспортировка материала.

излучения

Со своей стороны, механизм излучения обеспечивает теплообмен между двумя телами, даже когда они не находятся в контакте. Непосредственным примером является Солнце, которое нагревает Землю через пустое пространство между ними.

Все тела излучают и поглощают электромагнитное излучение. Если у вас есть два тела при разных температурах, даже если они находятся в вакууме, через некоторое время они достигнут одинаковой температуры из-за теплообмена с помощью электромагнитного излучения.

Скорость передачи тепла

В равновесных термодинамических системах имеет значение общее количество тепла, обмениваемого с окружающей средой, так что система переходит из одного состояния равновесия в другое.

С другой стороны, в теплообмене интерес сосредоточен на преходящем явлении, когда системы еще не достигли теплового равновесия. Важно отметить, что количество тепла передается за определенный период времени, то есть есть скорость передачи тепла.

Примеры

- Примеры теплопроводности

При теплопроводности тепловая энергия передается через столкновения между атомами и молекулами материала, будь то твердое тело, жидкость или газ.

Твердые тела лучше проводят тепло, чем газы и жидкости. В металлах есть свободные электроны, которые могут перемещаться по металлу.

Поскольку свободные электроны обладают большой подвижностью, они могут более эффективно передавать кинетическую энергию посредством столкновений, поэтому металлы обладают высокой теплопроводностью.

С макроскопической точки зрения теплопроводность измеряется как количество тепла, переданное в единицу времени, или тепловой ток H:

Рисунок 2. Теплопроводность через стержень. Подготовила Фанни Сапата.

Энергетический ток H пропорционален поперечному сечению площади A и изменению температуры на единицу продольного расстояния.

Это уравнение применяется для расчета теплотворной способности H стержня, подобного показанному на фиг. 2, который находится между двумя резервуарами с температурами T ₁ и T ₂ соответственно, где T ₁ > T ₂ .

Теплопроводность материалов

Ниже приведен список теплопроводности некоторых материалов в ваттах на метр на кельвин: Вт / (м. К)

Алюминий -------- 205

Медь --------- 385

Серебро ---------- 400

Сталь ---------– 50

Пробка или стекловолокно - 0,04

Бетон или стекло ----- 0,8

Дерево ----- от 0,05 до 0,015

Воздух --------– 0,024

- Примеры конвекционного тепла

При тепловой конвекции энергия передается за счет движения жидкости, которая при разных температурах имеет разную плотность. Например, когда в кастрюле кипятят воду, вода у дна повышает ее температуру, поэтому она расширяется.

Это расширение заставляет горячую воду подниматься, в то время как холодная опускается, чтобы занять пространство, оставшееся после поднявшейся горячей воды. В результате получается циркуляционное движение, которое продолжается до тех пор, пока температуры на всех уровнях не сравняются.

Конвекция определяет движение больших воздушных масс в атмосфере Земли, а также определяет циркуляцию морских течений.

- Примеры радиационного тепла

В механизмах теплопередачи за счет теплопроводности и конвекции требуется наличие материала для передачи тепла. Напротив, в механизме излучения тепло может передаваться от одного тела к другому через вакуум.

Это механизм, с помощью которого Солнце при более высокой температуре, чем Земля, передает энергию нашей планете напрямую через космический вакуум. Излучение приходит к нам через электромагнитные волны.

Все материалы способны излучать и поглощать электромагнитное излучение. Максимум излучаемой или поглощенной частоты зависит от температуры материала, и эта частота увеличивается с температурой.

Преобладающая длина волны в спектре излучения или поглощения черного тела соответствует закону Вина, который гласит, что преобладающая длина волны пропорциональна обратной температуре тела.

С другой стороны, мощность (в ваттах), с которой тело излучает или поглощает тепловую энергию электромагнитным излучением, пропорциональна четвертой степени абсолютной температуры. Это известно как закон Стефана:

P = εAσT ⁴

В приведенном выше выражении σ - постоянная Стефана, и ее значение составляет 5,67 x 10-8 Вт / м ² · K ⁴ . A - площадь поверхности тела, а ε - коэффициент излучения материала, безразмерная константа, значение которой находится между 0 и 1 и зависит от материала.

Упражнение решено

Рассмотрим стержень на рисунке 2. Предположим, стержень длиной 5 см, радиусом 1 см сделан из меди.

Бар размещается между двумя стенами, которые поддерживают постоянную температуру. Первая стена имеет температуру T1 = 100ºC, а другая - T2 = 20ºC. Определите:

а.- Значение теплового тока H

б.- Температура медного стержня на расстоянии 2 см, 3 см и 4 см от стены, равная температуре T1.

Решение для

Поскольку медный стержень помещается между двумя стенами, стенки которых постоянно поддерживают одинаковую температуру, можно сказать, что он находится в стабильном состоянии. Другими словами, тепловой ток H имеет одинаковое значение в любой момент.

Чтобы вычислить этот ток, мы применяем формулу, которая связывает ток H с разностью температур и длиной стержня.

Площадь поперечного сечения составляет:

A = πR ² = 3,14 * (1 × 10 ^-2 м) ² = 3,14 x 10 ^-4 м ²

Разница температур между концами стержня составляет

ΔT = (100ºC - 20ºC) = (373K - 293K) = 80K

Δx = 5 см = 5 x 10 ^-2 м

H = 385 Вт / (м · K) * 3,14 x ^10-4 м ² * (80K / 5 x ^10-2 м) = 193,4 Вт

Этот ток одинаков в любой точке шкалы и в любой момент после достижения устойчивого состояния.

Решение б

В этой части нас просят вычислить температуру Tp в точке P, расположенной на расстоянии Xp от стены T ₁ .

Выражение, которое дает теплоту сгорания H в точке P:

Из этого выражения Tp можно рассчитать следующим образом:

Рассчитаем температуру Tp в положениях 2 см, 3 см и 4 см соответственно, подставив числовые значения:

• Тп = 340,6 К = 67,6 ° С; 2 см от Т1
• Тп = 324,4 К = 51,4 ° С; 3 см от Т1
• Тп = 308,2 К = 35,2 ° С; 4 см от Т1

Ссылки

1. Фигероа, Д. 2005. Серия: Физика для науки и техники. Том 5. Жидкости и термодинамика. Отредактировал Дуглас Фигероа (USB).
2. Киркпатрик, Л. 2007. Физика: взгляд на мир. 6-е сокращенное издание. Cengage Learning.
3. Лэй, Дж. 2004. Общая физика для инженеров. USACH.
4. Мотт, Р. 2006. Механика жидкости. 4-й. Издание. Pearson Education.
5. Strangeways, I. 2003. Измерение окружающей среды. Второй. Издание. Издательство Кембриджского университета.
6. Wikipedia. Теплопроводность. Получено с: es.wikipedia.com