ТЕПЛОФИЗИКА И ОСНОВЫ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОЙ
ТЕПЛОТЕХНИКИ
97
ГЛАВА 6. ОСНОВЫ ТЕОРИИ ТЕПЛООБМЕНА
Теория теплообмена изучает закономерности передачи теплоты в
пространстве между отдельными телами. Она используется во всех областях
науки и техники, связанных с использованием подвода и отвода тепла, в том
числе в нагревательных устройствах и при исследовании закономерностей
нагрева металла и других материалов.
В соответствии со вторым законом термодинамики перенос тепла от одного
тела к другому или между отдельными частями возможен лишь при наличии
разности (перепада) температур, от большей к меньшей.
Процесс
теплообмена
осуществляется
тремя
способами:
теплопроводностью, конвекцией и лучеиспусканием. Теплопроводностью
называется молекулярный и электронный перенос тепла в пределах одного тела
(сплошной среды), обусловленный неравномерным распределением
температур. При конвекции имеет место перенос теплоты в пространстве,
связанный с движением отдельных объемов жидкой или газовой среды. При
излучении этот перенос осуществляется электромагнитными волнами. На
поверхности излучающего тела тепловая энергия превращается в
электромагнитные колебания, которые, попадая на поверхность другого тела,
превращаются снова в тепловую энергию. Носителями энергии являются
фотоны, излучаемые и поглощаемые поверхностями тел, участвующих в
процессе теплообмена.
Количество тепла, передаваемого в единицу времени, называется тепловым
потоком
Q
. Размерность его – [Дж/с] = [Вт]. Тепловой поток
Q
, отнесенный к
единице площади
F
, называют плотностью теплового потока,
q
=
Q
/
F
.
Размерность плотности теплового потока – [Вт/м
2
].
В реальных условиях протекают два или все три способа теплообмена
одновременно. В этом случае говорят о сложном теплообмене. При изучении
теплообмена
широко
используются
результаты
экспериментов
(феменологический
метод).
Обобщение
результатов
эксперимента
производится при этом методами теории подобия (см. гл. 4).
6.1. Теплопроводность
Как указывалось выше, при теплопроводности тепло распространяется
между отдельными частями одного и того же тела (среды) и в чистом виде
наблюдается в твердых телах. В жидких телах она, как правило, протекает
одновременно с конвекцией. В газообразных к ним может добавиться
лучеиспускание.
При теплопроводности теплообмен протекает за счет обмена энергией
между молекулами, а в металлах также между свободными электронами.
Температура в любой точке тела определяется координатами этой точки и
промежутками времени от начала процесса
