Види теплообміну: коефіцієнт теплопередачі

Будь-яке матеріальне тіло володіє такою характеристикою як теплота, яка може збільшуватися і зменшуватися. Теплота не є матеріальною субстанцією: як частина внутрішньої енергії речовини вона виникає внаслідок руху і взаємодії молекул. Оскільки теплота різних речовин може відрізнятися, відбувається процес передачі тепла від більш нагрітої субстанції до речовини з меншою кількістю теплоти. Цей процес носить назву теплопередача. Основні види теплообміну і механізми їх дії ми розглянемо в цій статті.

Визначення теплопередачі

Теплообмін, або процес перенесення температури, може відбуватися як всередині матерії, так і від однієї речовини до іншої. При цьому інтенсивність теплообміну в чому залежить від фізичних властивостей матерії, температури речовин (якщо у теплообміні беруть участь кілька субстанцій) і законів фізики. Теплопередача – це процес, який завжди протікає в односторонньому порядку. Головний принцип теплообміну полягає в тому, що найбільш нагріте тіло завжди віддає тепло об'єкту з меншою температурою. Наприклад, при прасуванню одягу гарячу праску віддає тепло штанів, а не навпаки. Теплопередача - явище, залежне від тимчасового показника, що характеризує необоротне поширення тепла в просторі.

Механізми теплопередачі

Механізми теплового взаємодії речовин можуть набувати різні форми. Відомі три види теплообміну в природі:

Теплопровідність – механізм міжмолекулярною передачі тепла з однієї ділянки тіла до іншого або в інший об'єкт. Властивість грунтується на неоднорідності температури в розглянутих субстанціях.

Конвекція – теплообмін між текучими середовищами (рідка, повітряна).

Променева дія – передача тепла від нагрітих і нагріваються за рахунок своєї енергії тіл (джерел) у вигляді електромагнітних хвиль з постійним спектром.

Розглянемо перераховані види теплообміну більш докладно.

Теплопровідність

Частіше всього теплопровідність спостерігається в твердих тілах. Якщо під впливом якихось факторів у одного і того ж речовини з'являються ділянки з різними температурами, то теплова енергія з більш нагрітого ділянки перейде до холодного. Подібне явище в деяких випадках можна спостерігати навіть візуально. Наприклад, якщо взяти металевий стрижень, скажімо, голку, і нагріти її на вогні, то через якийсь час побачимо, як теплова енергія передається по голці, утворюючи на певній ділянці світіння. При цьому в місці, де температура вища, світитися яскравіше і, навпаки, де t нижче, воно темніше. Теплопровідність може спостерігатися також між двома тілами (кухлем гарячого чаю і рукою) Інтенсивність передачі теплового потоку залежить від багатьох факторів, співвідношення яких виявив французький математик Фур'є. До цих факторів відноситься в першу чергу градієнт температури (співвідношення різниці температур на кінцях стержня до відстані від одного кінця до іншого), площа перерізу тіла, а також коефіцієнт теплопровідності (у всіх речовин він різний, але найвищий спостерігається у металів). Самий значний коефіцієнт теплопровідності спостерігається у міді і алюмінію. Не дивно що саме ці два металу частіше використовуються у виготовленні електропроводів. Дотримуючись закону Фур'є, величину теплового потоку можна збільшити або зменшити, змінивши один з цих параметрів.

Конвекційні види теплообміну

Конвекція, властива в основному для газів і рідин, що має два компоненти: межмолекулярную теплопровідність і рух (поширення) середовища. Механізм дії конвекції відбувається наступним чином: при підвищенні температури текучою субстанції її молекули починають більш активний рух і при відсутності просторових обмежень об'єм речовини збільшується. Наслідком цього процесу буде зменшення щільності субстанції і її рух вгору. Яскравий приклад конвекції – це рух нагрітого радіатором повітря від батареї до стелі. Розрізняють вільні та вимушені конвективні види теплообміну. Теплопередача і рух маси при вільному типі відбувається за рахунок неоднорідності субстанції, тобто гаряча рідина піднімається над холодною природним чином без впливу зовнішніх сил (наприклад, обігрів кімнати за допомогою центрального опалення). При вимушеній конвекції рух маси відбувається під дією зовнішніх сил, наприклад, помішування чаю ложкою.

Променистий теплообмін

Промениста або радіаційна теплопередача може відбуватися без контакту з іншим об'єктом або субстанцією, тому можлива навіть у безповітряному просторі (вакуумі). Радіаційний теплообмін притаманний всім тілам більшою або меншою мірою проявляється у вигляді електромагнітних хвиль з безперервним спектром. Яскравий тому приклад – сонячні промені. Механізм дії виглядає наступним чином: тіло безперервно випромінює певну кількість теплоти в навколишній простір. Коли ця енергія потрапляє на інший об'єкт або субстанцію, частина її поглинається, друга частина проходить наскрізь, а третя відображається в навколишнє середовище. Будь-який об'єкт може випромінювати тепло, так і поглинати, при цьому темні речовини здатні поглинати більше тепла, ніж світлі.

Об'єднані механізми теплопередачі

У природі види процесів теплообміну рідко зустрічаються окремо. Набагато частіше їх можна спостерігати в сукупності. В термодинаміці ці поєднання навіть мають назви, скажімо, теплопровідність + конвекція – це конвективний теплообмін, а теплопровідність + теплове випромінювання називають радіаційно-кондуктивної теплопередачею. Крім цього, виділяють такі комбіновані види теплообміну, як:

Тепловіддача - рух теплової енергії між газом або рідиною і твердою речовиною.

Теплопередача – передача t від однієї матерії до іншої через механічне перешкоду.

Конвективно-променистий теплообмін утворюється при суміщенні конвекції і теплового випромінювання.

Види теплообміну в природі (приклади)

Теплообмін у природі відіграє величезну роль і не обмежується нагріванням земної кулі сонячними променями. Великі конвекційні потоки, такі як переміщення повітряних мас, в чому визначають погоду на всій нашій планеті. Теплопровідність ядра Землі призводить до появи виверження гейзерів і вулканічних порід. Це лише мала частина прикладів теплообміну в глобальних масштабах. В сукупності вони утворюють види конвективного теплообміну та радіаційно-кондуктивні типи теплопередачі необхідні для підтримання життя на нашій планеті.

Використання теплообміну в антропологічної діяльності

Тепло – це важлива складова майже всіх виробничих процесів. Складно сказати, який вид теплообміну використовується людиною найбільше в народному господарстві. Напевно, всі три одночасно. Завдяки процесів теплопередачі відбувається виплавка металів, виробництво величезної кількості товарів, починаючи з предметів повсякденного використання і закінчуючи космічними судами. Вкрай важливе значення для цивілізації мають теплові агрегати, здатні перетворювати теплову енергію в корисну силу. Серед них можна назвати бензинові, дизельні, компресорні, турбінні установки. Для своєї роботи вони використовують різні види теплообміну.