Лекция 3. Тепловые процессы 3.1. Способы передачи теплоты

Лекция 3. Тепловые процессы 3.1. Способы передачи теплоты

Перенос энергии в форме тепла, происходящий между телами, имею­щими различную температуру, называется теплообменом. Движущей си­лой любого процесса теплообмена является разность температур между

более нагретым и менее нагретым телами, при наличии которой имеет ме­сто самопроизвольный перенос тепла.

Согласно второму закону термодинамики, самопроизвольный процесс переноса теплоты в пространстве возникает под действием разности температур и направлен в сторону уменьшения температуры.

Теплообмен представляет собой обмен энергией между молекулами, атомами и свободными электронами. В результате теплообмена интенсив­ность движения частиц более нагретого тела снижается, а менее нагретого возрастает.

Теплопередача — наука о процессах распространения тепла. Законы те­плопередачи лежат в основе тепловых процессов - нагревания, охлажде­ния, конденсации паров, кипения жидкостей, выпаривания - и имеют большое значение для проведения многих массообменных процессов (пе­регонки, сушки и др.).

Тела, участвующие в теплообмене, называются теплоносителями. Теп­лота может распространяться в любых веществах и даже в вакууме. Иде­альных изоляторов тепла не существует.

Во всех веществах тепло передается теплопроводностью за счет пере­носа энергии микрочастицами. Молекулы, атомы, электроны и другие микрочастицы, из которых состоит вещество, движутся со скоростями пропорциональными температуре. За счет взаимодействия частиц друг с другом более быстрые отдают энергию медленным частицам, перенося, таким образом, теплоту из зоны с более высокой температурой в зону с меньшей температурой.

В жидкостях и газах перенос теплоты может осуществиться еще и за счет перемешивания движущихся частиц. При этом уже не отдельные мо­лекулы, а большие макроскопические объемы более нагретой жидкости (газа) перемещаются в зоны с меньшими температурами, а менее нагретые в зоны с большей температурой. Перенос теплоты вместе с макроскопиче­скими объемами вещества называется конвекцией.

Одновременно вместе с конвекцией имеет место теплопроводность. Такой сложный вид теплообмена называется конвективным. Конвекция является определяющим процессом переноса тепла в жидкостях и газах, поскольку она значительно интенсивнее теплопроводности.

Большое распространение получил теплообмен между жидкостью (га­зом) и поверхностью твердого тела (или наоборот). Этот процесс называ­ется конвективной теплоотдачей или просто теплоотдачей.

Излучение является третьим способом передачи тепла. Теплота излуче­нием передается через все прозрачные среды, в том числе и в вакууме (в космосе). Носителями энергии при излучении являются фотоны, излучае­мые и поглощаемые телами, участвующими в теплообмене.

В большинстве случаев перенос теплоты производится несколькими способами одновременно. В процессе теплоотдачи участвуют все способы передачи тепла - теплопроводность, конвекция и излучение. Более слож­ным является процесс передачи тепла от более нагретого теплоносителя к менее нагретому через разделяющую их стенку, называемый теплопере­дачей. В процессе теплопередачи переносу тепла конвекцией сопутствует теплопроводность и теплообмен излучением. Однако при рассмотрении сложных процессов теплообмена преобладающими в определенных усло­виях является один или два из трех способов распространения тепла.

В непрерывно действующих аппаратах температуры в различных точ­ках не изменяются во времени и протекающие процессы теплообмена счи­таются установившимися (стационарными). В периодически действующих аппаратах, где температуры меняются во времени, осуществляются неус­тановившиеся (нестационарные) процессы теплообмена.