Что такое теплота: теплопередача? Значение теплота: теплопередача в энциклопедии Кольера

К статье ТЕПЛОТА Тепло передача - это процесс переноса теплоты внутри тела или от одно го тела к другому, обусловленный разность ю температур. Интенсивность переноса теплоты зависит от свойств вещества, разности температур и подчиняется экспериментально установленным закон ам природы. Чтобы создавать эффективно работающие системы нагрева или охлаждения, разнообразные двигатели , энергоустановки, системы теплоизоляции, нужно знать принципы теплопередачи. В одних случаях теплообмен нежелателен ( теплоизоляция плавильных печей, космических кораблей и т.п.), а в других он должен быть как можно больше (паровые котлы , теплообменники, кухонная посуда). Существуют три основных вида теплопередачи: теплопроводность, конвекция и лучистый теплообмен. Теплопроводность . Если внутри тела имеется разность температур, то тепловая энергия переходит от более горячей его части к более холодной. Такой вид теплопередачи, обусловленный тепловыми движения ми 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 градиент а температуры, т.е. отношения ?Т/?x разности температур на концах стержня к расстоянию между ними . Она зависит также от площади поперечного сечения стержня (в м2) и коэффициента теплопроводности материала . 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 по этом у для поддержания в помещении нужной температуры остается уменьшать теплопроводность стен , т.е. улучшать их теплоизоляцию. Теплопроводность металлов обусловлена колебаниями кристаллической решетки и движением большого числа свободных электронов (называемых иногда электронным газом). Движение электронов ответственно и за электропроводность металлов, а потому неудивительно, что хорошие проводники тепла ( например , серебро или медь ) являются также хорошими проводниками электричества. Тепловое и электрическое сопротивление многих веществ резко уменьшается при по ниже нии температуры ниже температуры жидкого гелия (1,8 K). Это явление , называемое сверхпроводимостью, используется для повышения эффективности работы многих устройств - от приборов микроэлектроники до линий электропередачи и больших электромагнитов. См. также СВЕРХПРОВОДИМОСТЬ . Конвекция . Как мы уже говорили, при подводе тепла к жидкости или газу увеличивается интенсивность движения молекул, а вследствие этого повышается давление . Если жидкость или газ не ограничены в объеме, то они расширяются; локальная плотность жидкости ( газа ) становится меньше , и благодаря выталкивающим (архимедовым) силам нагретая часть среды движется вверх ( именно поэтому теплый воздух в комнате поднимается от батарей к потолку ). Данное явление называется конвекцией. Чтобы не расходовать тепло отопительной системы впустую , нужно пользоваться современными обогревателями, обеспечивающими принудительную циркуляцию воздуха . Конвективный тепловой поток от нагревателя к нагреваемой среде зависит от начальной скорости движения молекул, плотности, вязкости, теплопроводности и теплоемкости и среды; очень важны также размер и форма нагревателя. Соотношение между соответствующими величинами подчиняется закону Ньютона q = hA (TW . T?), где q - тепловой поток (измеряемый в ваттах), A - площадь поверхности источник а тепла (в м2), TW и T. - температуры источника и его окружения (в кельвинах). Коэффициент конвективного теплопереноса h зависит от свойств среды, начальной скорости ее молекул, а также от формы источника тепла, и измеряется в единицах Вт/(м2?К). Величина h не один акова для случаев, когда воздух вокруг нагревателя неподвижен (свободная конвекция) и когда тот же нагреватель находится в воздушном потоке (вынужденная конвекция). В простых случаях течения жидкости по трубе или обтекания плоской поверхности коэффициент h можно рассчитать теоретически. Однако найти аналитическое решение задачи о конвекции для турбулентного течения среды пока не удается. Турбулентность - это сложное движение жидкости (газа), хаотичное в масштабах, существенно превышающих молекулярные. Если нагретое (или, наоборот , холодное) тело поместить в неподвижную среду или в поток, то вокруг него образуются конвективные токи и пограничный слой . Температура , давление и скорость движения молекул в этом слое играют важную роль при определении коэффициента конвективного теплопереноса. Конвекцию необходимо учитывать при проектировании теплообменников, систем кондиционирования воздуха, высокоскоростных летательных аппаратов и многих других устройств. Во всех подобных системах одновременно с конвекцией имеет место теплопроводность, причем как между твердыми телами, так и в окружающей их среде. При повышенных температурах существенную роль может играть и лучистый теплообмен. Лучистый теплообмен. Третий вид теплопередачи - лучистый теплообмен - отличается от теплопроводности и конвекции тем, что теплота в этом случае может передаваться через вакуум . Сходство же его с другими способами передачи тепла в том, что он тоже обусловлен разностью температур. Тепловое излучение - это один из видов электромагнитного излучения. Другие его виды - радиоволновое, ультрафиолетовое и гамма-излучения - возникают в отсутствие разности температур. На рис. 8 представлена зависимость энергии теплового (инфракрасного) излучения от длины волны . Тепловое излучение может сопровождаться испусканием видимого света, но его энергия мала по сравнению с энергией излучения невидимой части спектра. Интенсивность теплопередачи путем теплопроводности и конвекции пропорциональна температуре, а лучистый тепловой поток пропорционален четвертой степени температуры и подчиняется закону Стефана - Больцмана где, как и ранее , q - тепловой поток (в джоулях в секунду, т.е. в Вт), A - площадь поверхности излучающего тела (в м2), а T1 и T2 - температуры (в кельвинах) излучающего тела и окружения, поглощающего это излучение. Коэффициент . называется постоянной Стефана - Больцмана и равен (5,66961???0,00096)?10-8 Вт/(м2 ?К4). Представленный закон теплового излучения справедлив лишь для идеального излучателя - так называемого абсолютно черного тела. Ни одно реальное тело таковым не является, хотя плоская черная поверхность по своим свойствам приближается к абсолютно черному телу. Светлые же поверхности излучают сравнительно слабо. Чтобы учесть отклонение от идеальности многочисленных "серых" тел, в правую часть выражения, описывающего закон Стефана - Больцмана, вводят коэффициент, меньший единицы, называемый излучательной способность ю. Для плоской черной поверхности этот коэффициент может достигать 0,98, а для полированного металлического зеркала не превышает 0,05. Соответственно лучепоглощательная способность высока для черного тела и низка для зеркального. Жилые и офисные помещения часто обогревают небольшими электрическими теплоизлучателями; красноватое свечение их спиралей - это видимое тепловое излучение, близкое к границе инфракрасной части спектра. Помещение же обогревается теплотой, которую несет в основном невидимая, инфракрасная часть излучения. В приборах ночного видения применяются источник теплового излучения и приемник , чувствительный к ИК-излучению, позволяющий видеть в темноте. Мощным излучателем тепловой энергии является Солнце; оно нагревает Землю даже на расстоянии 150 млн. км. Интенсивность солнечного излучения, регистрируемая год за годом станциями, расположенными во многих точках земного шара , составляет примерно 1,37 Вт/м2. Солнечная энергия - источник жизни на Земле. Ведутся поиски способов наиболее эффективного ее использования. Созданы солнечные батареи, позволяющие обогревать дома и получать электроэнергию для бытовых нужд.