Техническая термодинамика Понятие теплоемкости Изотермический процесс Двигатели внутреннего сгорания Теплопроводность Роль теплоты и её использование Источники энергии и топливные ресурсы Тепловые, гидравлические, атомные электростанции


Лекции по термодинамике

Теплопроводность.

Теплопроводностью называется явление передачи энергии от более нагретых участков тела к менее нагретым в результате теплового движения и взаимодействия частиц, из которых состоит тело.

Теплопроводность

В существовании теплопроводности нас убеждает ряд наблюдений и экспериментов.

Нагревание кастрюли на электрической плитке происходит через теплопроводность

Если твердое тело нагревается или охлаждается, то внутри его наблюдается неравномерное распределение температуры, что приводит к перемещению тепла из одних точек тела в другие. В этом случае тепловой поток будет направлен из участков тела с большой температурой к участкам с меньшей температурой. Задача 1. Два равных отрицательных заряда по 9 нКл находятся в воде на расстоянии 8 см друг от друга. Определить напряженность и потенциал поля в точке, расположенной на расстоянии 5 см от зарядов.

Если внутри тела имеется разность температур, то тепловая энергия переходит от более горячей его части к более холодной. Такой вид теплопередачи, обусловленный тепловыми движениями и столкновениями молекул, называется теплопроводностью; при достаточно высоких температурах в твердых телах его можно наблюдать визуально. Так, при нагревании стального стержня с одного конца в пламени газовой горелки тепловая энергия передается по стержню, и на некоторое расстояние от нагреваемого конца распространяется свечение (с удалением от места нагрева все менее интенсивное).

Интенсивность теплопередачи за счет теплопроводности зависит от градиента температуры, т.е. отношения DТ/Dx разности температур на концах стержня к расстоянию между ними. Она зависит также от площади поперечного сечения стержня (в м2) и коэффициента теплопроводности материала [в соответствующих единицах Вт/(мDК)]. Соотношение между этими величинами было выведено французским математиком Ж.Фурье и имеет следующий вид:

, где q – тепловой поток, k – коэффициент теплопроводности, а A – площадь поперечного сечения.

Это соотношение называется законом теплопроводности Фурье; знак «минус» в нем указывает на то, что теплота передается в направлении, обратном градиенту температуры.

Из закона Фурье следует, что тепловой поток можно понизить, уменьшив одну из величин – коэффициент теплопроводности, площадь или градиент температуры. Для здания в зимних условиях последние величины практически постоянны, а поэтому для поддержания в помещении нужной температуры остается уменьшать теплопроводность стен, т.е. улучшать их теплоизоляцию.

Температурный градиент является мерой интенсивности изменения температуры в данном направлении.

Положив в основу предположение о наличии линейной зависимости между тепловым потоком и температурным градиентом, Фурье получил закон теплопроводности, согласно которому плотность теплового потока пропорциональна температурному градиенту

 Знак минус в уравнении показывает, что плотность потока  и температурный градиент имеют противоположное направление, или в направлении потока тепла температура уменьшается. Коэффициент пропорциональности  назван коэффициентом теплопроводности (теплопроводностью).

В таблице представлены коэффициенты теплопроводности некоторых веществ и материалов. Из таблицы видно, что одни металлы проводят тепло гораздо лучше других, но все они являются значительно лучшими проводниками тепла, чем воздух и пористые материалы.

Теплопроводность тел зависит от природы вещества, его структуры, температуры и других факторов, а численно она определяется величиной коэффициента теплопроводности .

Теплопроводность металлов обусловлена колебаниями кристаллической решетки и движением большого числа свободных электронов (называемых иногда электронным газом).

Конвекция. Явление возникновения струй или потоков в нагреваемых или охлаждаемых жидкостях и газах называется конвекцией.

Явление конвекции можно объяснить законом Архимеда и явлением теплового расширения тел.

Что же такое лучистый теплообмен? Лучистым теплообменом называется процесс переноса энергии от одного тела к другому с помощью электромагнитного излучения.

Излучение различных тел различно. Оно зависит от природы тела, температуры, состояния поверхности, а для газов – еще от толщины слоя и давления.


Руководство к лабораторным работам по термодинамике