Реферат: Теплота. Виды теплообмена 

 

                     1.    Введение. Понятие теплоты                     

     2.    Теплопередача

     3.Три  основных вида  передачи тепла

     4.    Роль теплоты и  её использование

     5. Список использованной  литературы

                               1. Введение                              

     ТЕПЛОТА, кинетическая часть внутренней энергии вещества, определяемая

интенсивным хаотическим  движением молекул и атомов, из которых это вещество

состоит. Мерой  интенсивности движения молекул является температура. Количество

теплоты, которым  обладает тело при данной температуре, зависит от его массы;

например, при одной  и той же температуре в большой  чашке с водой заключается

больше теплоты, чем в маленькой, а в ведре  с холодной водой его может быть

   больше, чем  в чашке с горячей водой  (хотя температура воды в ведре  и ниже).  

Теплота играет важную роль в жизни человека, в том  числе и в функционировании

его организма. Часть  химической энергии, содержащейся в  пище, превращается в

теплоту, благодаря  чему температура тела поддерживается вблизи 37 градусов

Цельсия. Тепловой баланс тела человека зависит также  от температуры

окружающей среды, и люди вынуждены расходовать  много энергии на обогрев жилых

и производственных помещений зимой и на охлаждение их летом. Большую часть

этой энергии  поставляют тепловые машины, например котельные установки и

паровые турбины  электростанций, работающих на ископаемом топливе (угле,

нефти) и вырабатывающих электроэнергию.

До конца 18 в. теплоту  считали материальной субстанцией, полагая, что

температура тела определяется количеством содержащейся в нем «калорической

жидкости», или  «теплорода». Позднее Б.Румфорд, Дж.Джоуль и другие физики того

времени путем  остроумных опытов и рассуждений  опровергли «калорическую»

теорию, доказав, что  теплота невесома и ее можно получать в любых количествах

просто за счет механического движения. Теплота  сама по себе не является

веществом – это  всего лишь энергия движения его  атомов или молекул. Именно

такого понимания  теплоты придерживается современная физика.

                            2. ТЕПЛОПЕРЕДАЧА                            

     Теплопередача – это процесс переноса теплоты внутри тела или от одного

тела к другому, обусловленный разностью температур. Интенсивность переноса

теплоты зависит  от свойств вещества, разности температур и подчиняется

экспериментально  установленным законам 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).

                  3.    Три основных вида передачи тепла                 

     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 движениями 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 градиента

температуры, т.е. отношения DТ/Dx разности температур на концах

стержня к расстоянию между ними. Она зависит также  от площади поперечного

сечения стержня (в м²) и коэффициента теплопроводности материала [в

соответствующих единицах Вт/(мDК)]. 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 поэтому

для поддержания  в помещении нужной температуры  остается уменьшать

теплопроводность  стен, т.е. улучшать их теплоизоляцию.

В таблице представлены коэффициенты теплопроводности некоторых  веществ и

материалов. Из таблицы  видно, что одни металлы проводят тепло гораздо лучше

других, но все  они являются значительно лучшими  проводниками тепла, чем

воздух и пористые материалы.

    

 

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

понижении 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.

     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 (T_W  T-_¥),

где q – тепловой поток (измеряемый в ваттах), A – площадь

поверхности источника  тепла (в м²), T_W 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/(м²хК).

Величина h неодинакова 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.