Что такое теплопередача? Теплопередача в природе и технике

Поговорим о том, что такое теплопередача. Под данным термином понимают процесс переноса энергии в веществе. Он отличается сложным механизмом, описывается уравнением теплопроводности.

Разновидности теплообмена

Как подразделяется теплопередача? Теплопроводность, конвекция, излучение – три способа передачи энергии, существующие в природе.

Каждый из них имеет свои отличительные характеристики, особенности, варианты применения в технике.

Теплопроводность

Под количеством теплоты понимают сумму кинетической энергии молекул. Они при столкновении способны передавать часть своего тепла холодным частицам. Теплопроводность максимально проявляется в твердых телах, менее характерна для жидкостей, абсолютно не свойственна для газообразных веществ.

В качестве примера, подтверждающего способность твердых тел передавать тепло от одного участка к другому, рассмотрим следующий эксперимент.

Если на стальной проволоке закрепить металлические кнопки, затем поднести конец проволоки к горящей спиртовке, постепенно кнопки от нее начнут отпадать. При нагревании молекулы начинают двигаться с большей скоростью, чаще сталкиваются между собой. Именно эти частицы отдают свою энергию и тепло более холодным областям. Если в жидкостях и газах не обеспечивается достаточно быстрого оттока тепла, это приводит к резкому увеличению градиента температуры в горячей области.

Тепловое излучение

Отвечая на вопрос о том, какой вид теплопередачи сопровождается переносом энергии, необходимо отметить именно этот способ. Лучистый перенос предполагает передачу энергии путем электромагнитного излучения. Данный вариант наблюдается при температуре от 4000К, описывается уравнением теплопроводности. Коэффициент поглощения зависит от химического состава, температуры, плотности определенного газа.

Теплопередача воздуха имеет определенный предел, при увеличении потока энергии происходит рост градиента температуры, рост коэффициента поглощения. После того, как значение градиента температуры превысит адиабатический градиент, возникнет конвекция.

Что такое теплопередача? Это физический процесс передачи энергии от горячего предмета к холодному при их непосредственном контакте или через перегородку, которая разделяет материалы.

Если тела одной системы обладают разной температурой, в таком случае процесс передачи энергии происходит до тех пор, пока между ними не установится термодинамическое равновесие.

Особенности теплопередачи

Что такое теплопередача? В чем особенности данного явления? Его невозможно остановить полностью, можно только уменьшить скорость его протекания? Используется ли теплопередача в природе и технике? Именно теплообмен сопровождает и характеризует многие природные явления: эволюция планет и звезд, метеорологические процессы на поверхности нашей планеты. К примеру, совместно с обменом массой, процесс передачи тепла позволяет анализировать испарительное охлаждение, сушку, диффузию. Он осуществляется между двумя носителями тепловой энергии через твердую стенку, выступающую в роли границы раздела тел.

Теплопередача в природе и технике - это способ характеристики состояния отдельного тела, анализа свойств термодинамической системы.

Закон Фурье

Его именуют законом теплопроводности, поскольку он связывает полную мощность потерь тепла, перепад температур с площадью сечения параллелепипеда, его длиной, а также с коэффициентом теплопроводности. К примеру, для вакуума данный показатель практически равен нулю. Причина подобного явления заключается в минимальной концентрации материальных частиц в вакууме, которые могут переносить тепло. Несмотря на подобную особенность, в вакууме существует вариант передачи энергии путем излучения. Применение теплопередачи рассмотрим на основе термоса. Стенки его делают двойными для того, чтобы увеличить процесс отражения. Между ними откачивают воздух, снижая при этом потери тепла.

Конвекция

Отвечая на вопрос о том, что такое теплопередача, рассмотрим процесс переноса тепла в жидкостях либо в газах путем самопроизвольного либо вынужденного перемешивания. В случае принудительной конвекции перемещение вещества вызвано воздействием внешних сил: лопастей вентилятора, насоса. Применяется подобный вариант в тех ситуациях, когда естественная конвекция не является эффективной.

Естественный процесс наблюдается в тех случаях, когда при неравномерном нагревании происходит нагревание нижних слоев вещества. Уменьшается их плотность, они поднимаются вверх. Верхние слои, напротив, охлаждаются, тяжелеют, опускаются вниз. Далее процесс неоднократно повторяется, а при перемешивании наблюдается самоорганизация в структуру вихрей, из конвекционных ячеек формируется правильная решетка.

Благодаря естественной конвекции образуются облака, выпадают атмосферные осадки, осуществляется движение тектонических плит. Именно путем конвекции на Солнце формируются гранулы.

Правильное использование теплопередачи гарантирует минимальную потерю тепла, максимальное потребление.

Суть конвекции

Для объяснения конвекции можно использовать закон Архимеда, а также теплового расширения твердых тел и жидкостей. По мере повышения температуры происходит увеличение объема жидкости, уменьшение плотности. Под воздействием силы Архимеда вверх стремится более легкая (нагретая) жидкость, а холодные (плотные) слои попадают вниз, постепенно прогреваются.

В случае прогрева жидкости сверху теплая жидкость остается в исходном положении, поэтому не наблюдается конвекции. Именно так происходит круговорот жидкости, который сопровождается переносом энергии от прогретых участков к холодным местам. В газах конвекция происходит по аналогичному механизму.

С термодинамической точки зрения конвекцию рассматривают как вариант передачи тепла, при котором перенос внутренней энергии идет отдельными потоками веществ, нагретых неравномерно. Подобное явление встречается в природе и в быту. К примеру, отопительные радиаторы устанавливают на минимальной высоте от пола, вблизи подоконника.

Холодный воздух прогревается батареей, затем постепенно поднимается вверх, где он смешивается с холодными воздушными массами, опускаемыми от окна. Конвекция приводит к установлению в помещении равномерной температуры.

Среди распространенных примеров атмосферной конвекции приведем ветры: муссоны, бризы. Воздух, который нагревается над одними фрагментами Земли, охлаждается над другими, в результате чего происходит его циркуляция, осуществляется перенос влаги и энергии.

Особенности естественной конвекции

На нее влияет сразу несколько факторов. К примеру, воздействует на скорость естественной конвекции суточное движение Земли, морские течения, рельеф поверхности. Именно конвекция является основой выхода из кратеров вулкана и труб дыма, образования гор, парения различных птиц.

В заключение

Тепловое излучение является электромагнитным процессом со сплошным спектром, который испускается веществом, возникает благодаря внутренней энергии. Для того чтобы провести расчеты теплового излучения, в физике используют модель черного тела. Описывают тепловое излучение с помощью закона Стефана-Больцмана. Мощность излучения такого тела находится в прямо пропорциональной зависимости от площади поверхности и температуры тела, взятой в четвертой степени.

Теплопроводность возможна в любых телах, которые имеют неоднородное распределение температур. Суть явления заключается в изменении кинетической энергии молекул и атомов, определяющей температуру тела. В некоторых случаях теплопроводность считают количественной способностью определенного вещества проводить тепло.

Масштабные процессы обмена тепловой энергией не ограничиваются нагреванием поверхности земли солнечным излучением.

Серьезные конвекционные потоки в земной атмосфере характеризуются изменениями на всей планете погодных условий. При перепадах температур в атмосфере между полярными и экваториальными областями возникают конвекционные потоки: струйные течения, пассаты, холодные и теплые фронты.

Перенос тепла от земного ядра к поверхности вызывает извержения вулканов, возникновение гейзеров. Во многих регионах применяют геотермальную энергию для получения электрической энергии, обогрева жилых и промышленных помещений.

Именно теплота становится обязательным участником многих производственных технологий. Например, обработка и выплавка металлов, изготовление продуктов питания, переработка нефти, работа двигателей - все это осуществляется только при наличии тепловой энергии.