Теплообмен — основные виды в физике, суть и примеры

«Виды теплопередачи: теплопроводность, конвекция, излучение»

Теплопередача – это способ изменения внутренней энергии тела при передаче энергии от одной части тела к другой или от одного тела к другому без совершения работы. Существуют следующие виды теплопередачи: теплопроводность, конвекция и излучение.

Теплопроводность

Теплопроводность – это процесс передачи энергии от одного тел а к другому или от одной части тела к дpугой благодаря тепловому движению частиц

Важно, что при теплопроводности не происходит перемещения вещества, от одного тела к другом у или от одной части телa к другой передается энергия

Разные вещества обладают разной теплопроводностью. Если на дно пробирки, наполненной водой, положить кусочек льда и верхний её конец поместить над пламенем спиртовки, то через некоторое время вода в верхней части пробирки закипит, а лёд при этом не растает. Следовательно, вода, так же как и все жидкости, обладает плохой теплопроводностью.

Ещё более плохой теплопроводность ю обладают газы. Возьмём пробирку, в которой нет ничего, кроме воздуха, и расположим её над пламенем спиртовки. Палец, помещённый в пробирку, не почувствует тепла. Следовательно, воздух и другие газы обладает плохой теплопроводностью.

Хорошими проводниками теплоты являются металлы, самыми плохими — сильно разреженные газы. Это объясняется особенностями их строения. Молекулы газов находятся друг от друга на расстояниях, больших, чем молекулы твёрдых тел, и значительно реже сталкиваются. Поэтому и передача энергии от одних молекул к другим в газах происходит не столь интенсивно, как в твёрдых телах. Теплопроводность жидкости занимает промежуточное положение между теплопроводностью газов и твёрдых тел.

Конвекция

Как известно, газы и жидкости плохо проводят теплоту. В то же время от батарей парового отопления нагревается воздух. Это происходит благодаря такому виду теплопроводности, как конвекция.

Если вертушку, сделанную из бумаги, поместить над источником тепла, то вертушка начнёт вращаться. Это происходит потому, что нагретые менее плотные слои воздуха под действием выталкивающей силы поднимаются вверх, а более холодные движутся вниз и занимают их место, что и приводит к вращению вертушки.

Конвекция — вид теплопередачи, при котором энергия передаётся слоями жидкости или газа.  Конвекция связана с переносом вещества, поэтому она может осуществляться только в жидкостях и газах; в твёрдых телах конвекция не происходит.

Излучение

Третий вид теплопередачи — излучение. Если поднести руку к спирали электроплитки, включённой в сеть, к горящей электрической лампочке, к нагретому утюгу, к батарее отопления и т.п., то можно явно ощутить тепло.

Опыты также показывают, что чёрные тела хорошо поглощают и излучают энергию, а белые или блестящие плохо испускают и плохо поглощают её. Они хорошо энергию отражают. Поэтому понятно, почему летом носят светлую одежду, почему дома на юге предпочитают красить в белый цвет.

Путём излучения энергия передаётся от Солнца к Земле. Поскольку пространство между Солнцем и Землёй представляет собой вакуум (высота атмосферы Земли много меньше расстояния от неё до Солнца), то энергия не может передаваться ни путём конвекции, ни путём теплопроводности. Таким образом, для передачи энергии путём излучения не требуется наличия какой-либо среды, эта теплопередача может осуществляться и в вакууме.

Конспект урока «Виды теплопередачи: теплопроводность, конвекция, излучение».

Следующая тема: «Количество теплоты. Удельная теплоёмкость».

Излучение реальных тел

Все тела, температура которых превышает ноль по кельвину излучают электромагнитные волны. Происходит это за счёт внутренней энергии. Опыты показали, что в реальных телах наибольшее значение излучаемой энергии соответствует определённой длине волны. Эта зависимость хорошо описывается законом Вина. В 1893 году немецкий учёный смог построить экспериментальные кривые излучения тела для различных температур.

В его графике по оси абсцисс были отложены длины волн, а ординат — испускаемая энергия. Оказалось, что при температуре 3 тыс. K максимум пришёлся на длину волны порядка 1,2 мкм. Если же тело нагревать, то пик будет смещаться в сторону коротких волн. Так, для 5 тыс. K он составит 0,7 мкм. Это излучение уже становится видимым для человеческого глаза. При 6 тыс. K излучение сместится в жёлтую часть спектра и примерно составит 500 нм.

Полученные данные были систематизированы. В итоге учёный вывел формулу: J = b / T. Где:

• b — постоянная Вина (2,9 * 10-3 m * K);
• T — абсолютная температура тела.

Она нашла широкое практическое применение. Например, стало возможным узнать, сколько микрометров будет составлять излучение, исходящее от человека. Она равняется 9,35 мкм. Это действительно инфракрасное невидимое излучение. Знание этой величины даёт возможность использовать специальные приборы, позволяющие фиксировать отклонения теплового излучения.

Зная каков механизм потери тепла излучением и пик длины волны можно создать лазер, эффективный измеритель температуры — пирометр. С помощью последнего возможно провести интересный эксперимент. Можно взять стальную пластину шероховатую, с одной стороны, а с другой — отшлифованную. Если её нагреть до 1000С, а потом замерить температуру пирометром, то можно увидеть, что результат измерения будет у разных сторон различаться. На шероховатой стороне количество излучаемой энергии выше. Объясняется этот эффект поверхностной плотностью, то есть поглощающей способностью.

Природа явления

Любое излучение не может существовать само по себе. Для его появления необходим источник. Испускаемое им излучение уносит энергию, которая после может принимать любой вид. Изучая закономерности тепловых лучей, учёные пытались установить связь между ними и световыми волнами. Простой опыт показывал, что если нагретое тело поместить в замкнутое пространство с зеркальными стенами, то через время все поверхности станут одинаковой температуры. Наступит тепловое равновесие.

После того как было изучено строение тел, открыты элементарные частицы и кристаллическая решётка, стало ясно, что любое твёрдое тело является излучателем электромагнитной волны. Обусловлено оно тем, что свободные частицы в равновесном состоянии обладают именно энергией, полученной за счёт тепловых колебаний. При этом обусловлено оно возбуждением атомов и молекул при соударениях.

Возбуждение частиц происходит за счёт того, что частицы, находящиеся на более высоком энергетическом уровне, сталкиваясь с молекулами, отдают им часть своей энергии. Но так как любая система всегда стремится занять энергетически наиболее выгодное состояние, то возбуждённые носители зарядов стремятся вернуться в предыдущее состояние, испуская при этом электромагнитную волну.

Естественно, теплоизлучение — это интенсивный процесс, но при этом зависящий от окружающих источник температур. Установлено, что вне зависимости от возникновения величина излучения снижается с уменьшением температуры. При достижении абсолютного нуля движение частиц прекращается. Следовательно, электромагнитная волна телом не генерируется, но в то же время оно остаётся способным поглощать энергию извне.

В зависимости от механизма тепловые колебания описываются следующим характеристиками:

1. Мощность. Показывает количество энергии, которое способно испустить тело за единицу времени: F = Δ W / Δ t.
2. Светимость. Определяет величину энергии, которую тело может излучать за одну секунду с поверхности равной одному квадратному метру: R = F / S.
3. Спектральной плотностью. Описывает, по какому закону происходит распределение энергии по спектру: r = dR / dj .
4. Коэффициент монохромного поглощения. Находится как отношение поглощённого потока к падающему на тело в единичном интервале длин волн: j = Fпог / F пад.

Распределение теплового излучения по частотам

Характеристики распределения энергии теплового излучения по частотам (спектру) – плотность энергетической освещенности тела Eν,T, излучательная способность тела Eλ,T. Существуют выражения, которые определяют данные величины, то есть:

Eν,T=dWdν (2) и Eλ,T=cλ2Eн,T (3),

Где dW является энергией теплового излучения единицы площади поверхности тела за единицу времени при частоте, находящейся в интервале от ν до ν+dν (длине волны от λ до λ+dλ). Излучательная способность тела зависит от частоты ν, температуры тела T, материала тела и его состояния поверхности.

При Aν,T=1 тело получило название черного. На самом деле существование абсолютно черных тел невозможно, но имеются тела, близкие к ним по оптическим свойствам (сажа в области видимого света). Есть модели абсолютно черного тела. Она включает в себя маленькое отверстие в непрозрачной стенке замкнутой полости. Его излучение – это равновесное излучение, происходящее в изолированной области, стенки обладают постоянной температурой. К излучению в полости такого тела относят сумму фотонов с энергией εi, равняющейся:

εi=hнi (4).

при наличии импульса:

pi=рνic (5), где h=1,05·10-34 Дж·с, νi является частотой электромагнитной волны, с=3·108 мс – скоростью света в вакууме.

Определение 3

Совокупность фотонов, находящихся в полости абсолютно черного тела, получила название фотонного газа.

Происходит непрерывное рождение и уничтожение фотонов. Отсюда следует, что при выводе их распределения по энергиям не существует ограничения в постоянстве. Уравнения для распределения фотонов по энергиям запишется таким образом:

nεi=1expβεi-1 (6), где β=1kT, k выражает постоянную Больцмана.

Формула распределения фотонов по частотам выражается как:

dnv=ν2Vπ2c31expβhν-1dν (7).

Запись энергии фотона hν,отсюда значение спектральной плотности энергии ωv получит вид:

ωv=hvVdnvdv=hv3π2c31expβhv-1 (8).

Выражение (8) обрело имя Планка.

Пример 1

Найти максимум спектральной плотности излучения.

Решение

Нахождение максимума спектральной плотности излучения происходит из уравнения вида:

ωv=hvVdnvdv=hv3π2c31expβhv-1 (1.1).

Произведем вычисления максимума, используя шкалу длин волн λ. Необходимо перейти от частот (1.1) к λ с применением соотношения. Получаем, что:

λ=2πcv (1.2).

Зафиксируем выражение вида:

ωvdн=-нλ2πcdλλ2 (1.3).

Учитывая 1.3, вид формулы распределения плотности энергии излучения по длинам волн изменится:

ωλ=1λ51exp2πchrTλ-1 (1.4).

Отсутствие постоянных множителей необходимо во избежание загромождения вычисления. Их наличие никак не повлияет на результат нахождения максимума. Максимум плотности излучения находится из условия экстремума, то есть:

∂ωλ∂λ= (1.5).

Далее необходимо найти производную от (1.4) по длине волны и приравнять выражение к нулю:

Tλmax=2πhc4,97·k=,0029 К·м (1.6).

Ответ: максимум спектральной плотности находится в зависимости от температуры тела и рассчитывается по Tλmax=,0029 К·м. Формулу (1.6) считают законом Вина с ,0029=b, являющейся постоянной Вина.

Пример 2

Значение температуры одного абсолютно черного тела равняется T1. Оно считается источником теплового излучения. Необходимо определить температуру другого тела T2 при условии равнения длины волны, отвечающей за максимум его спектральной плотности излучения, на ∆λ больше, чем длина волны, соответствующей максимуму излучательной способности первого источника.

Решение

Для основы решения применяется закон Вина, который был получен в предыдущем задании, то есть:

Tλmax=b (2.1).

Необходимо записать выражения (2.1) для обоих источников излучения, причем выразить длину волны. Получаем:

λ1=bT1, λ2=bT2 (2.2).

По условию имеем:

λ2-л1=λ (2.3).

Произведем подстановку (2.2) в (2.3) и преобразуем получившееся выражение:

∆λ=bT2-bT1→∆λ+bT1=bT2→∆λT1+bT1=bT2→T2=bT1∆λT1+b.

Ответ: искомая температура второго тела T2=bT1∆λT1+b.

Всё ещё сложно?
Наши эксперты помогут разобраться

Все услуги

Решение задач

от 1 дня / от 150 р.

Курсовая работа

от 5 дней / от 1800 р.

Реферат

от 1 дня / от 700 р.

Еще по теме

Как подключить спутниковый интернет: виды и технические нюансы

В последнее время на спутниковые технологии повышается спрос. Ведь спутниковый интернет может работать даже в …далее

ПЯТИСЛОЙНЫЙ ГОФРОКАРТОН — ГАРАНТИЯ НАДЁЖНОЙ ТРАНСПОРТИРОВКИ

В современной промышленности широко используется такой упаковочный материал, как гофрокартон. в Москве предлагает пятислойный …далее

Фермерская теплица для бизнеса

Если вы проводите значительную часть своего свободного времени на дачном участке, стоит задуматься о собственном …далее

Преимущества ножей для резки овощей

Набор овощных ножей – непременный аксессуар любой кухни. Современные производители предлагают обширный ассортимент профессионального и …далее

Светильники из Италии: особый статус и разновидности

Итальянская грация и великолепие находят гармоничное воплощение в системах освещения разных брендов. Люстры, лампы, бра …далее

Конвекция

При конвекции энергия передается потоками, возникающими в различных средах. 

В зависимости от причины возникновения, процессы этого типа теплообмена делят на естественную и вынужденную конвекцию:

1. Естественная конвекция возникает под влиянием естественных сил: неравномерного прогрева, силы тяжести. Процессы естественной конвекции происходят на планете ежеминутно. Появление облаков, формирование атмосферных фронтов, циклонов и антициклонов в атмосфере возможно благодаря этому процессу. Воды мирового океана так же подвержены процессам конвекции, в результате образуются океанические течения. Движение тектонических плит так же обусловлено конвективными процессами.

2. Вынужденная конвекция — зависит от присутствия внешних сил. Например, при помешивании ложкой горячий чай остывает именно за счет этого явления.

Что такое излучение

Излучение – это перенос тепловой энергии без помощи вещества. Поэтому в вакууме тепловая энергия переносится излучением.

Вакуум – это отсутствие молекул вещества в пространстве (глубокий вакуум в космосе), или, наличие небольшого количества молекул газа.

Например, в современных лабораториях можно из-под колокола откачать воздух до состояния, когда в одном кубометре пространства под колоколом будет содержаться всего несколько молекул воздуха.

Все тела могут излучать энергию. Сильно нагретые тела излучают больше энергии, чем более холодные.

Солнце – это большой раскаленный газовый шар, то есть, звезда. Солнце излучает тепло, это тепло через вакуум с помощью излучения переносится на Землю и нагревает ее поверхность и все тела, находящиеся на ней.

Известно, что черные предметы на солнце нагреваются очень быстро, а белые, почти не нагреваются.

По причине излучения более темные тела охлаждаются быстрее, чем белые.

В наши дни широкое распространение получили бытовые инфракрасные обогреватели. Эти обогреватели нагревают окружающие предметы с помощью теплового (инфракрасного) излучения.

Примечание: Теплопроводность и конвекция происходят в веществе. А излучение может переносить тепловую энергию без помощи вещества.

Источники инфракрасного излучения

Вообще говоря, любое тело, нагретое до определенной температуры, излучает тепловую энергию в инфракрасном диапазоне спектра электромагнитных волн и может передавать эту энергию посредством лучистого теплообмена другим телам. Передача энергии происходит от тела с более высокой температурой к телу с более низкой температурой, при этом, разные тела имеют различную излучающую и поглощающую способность, которая зависит от природы двух тел, от состояния их поверхности и т.д.

Электромагнитное излучение обладает квантово-фотонным характером. При взаимодействии с веществом фотон поглощается атомами вещества, передавая им свою энергию. При этом возрастает энергия тепловых колебаний атомов в молекулах вещества, т.е. энергия излучения переходит в теплоту.

Суть лучистого отопления состоит в том, что горелка, являясь источником излучения, генерирует, формирует в пространстве и направляет тепловое излучение в зону обогрева. Оно попадает на ограждающие конструкции (пол, стены), технологическое оборудование, людей, находящихся в зоне облучения, поглощается ими и нагревает их. Поток излучения, поглощаясь поверхностями, одеждой и кожей человека, создает тепловой комфорт без повышения температуры окружающего воздуха. Воздух в обогреваемых помещениях, оставаясь практически прозрачным для инфракрасного излучения, нагревается за счет «вторичного тепла», т.е. конвекции от конструкций и предметов, нагретых излучением.

Теплопроводность

В большинстве случаев виды теплообмена тесно связаны и проходят одновременно. Конвекция всегда дополняется теплопроводностью, так как при движении объема среды всегда имеется взаимодействие частиц с разными температурами. Такой процесс имеет название конвективного теплообмена. 

Примером такого типа теплообмена является остывание горячего чая, налитого в холодную металлическую кружку. Отдача тепла может сопровождаться его излучением, тогда в переносе теплоты участвуют все три вида: теплопроводность, конвекция, тепловое излучение.

Рассмотрим более подробно теплопроводность.

Этот вид теплообмена присущ твердым телам, но присутствует так же в жидкостях и газах. В твердых телах теплопроводность является основным видом теплообмена и напрямую зависима от природы вещества, его плотности, химического состава, влажности, температуры.

Разные тела и вещества имеют разную теплопроводность. Количественным показателем теплопроводности служит коэффициент теплопроводности, он обозначается буквой λ (лямбда). Чем выше плотность, влажность и температура тела, тем больше λ.

Проведение тепла происходит за счет взаимодействий между частицами. Конечной целью процесса будет выравнивание внутренней температуры по всему телу. Теплопроводность жидкостей меньше, чем у твердых тел, у газов – меньше, чем у жидкостей. Причиной является большое расстояние между молекулами в жидкостях, особенно в газах. 

Низкая теплопроводность воздуха издавна используется при изготовлении двойных оконных рам. Теплопроводность воздуха гораздо ниже теплопроводности стекла. Воздушная прослойка межу стеклами защищает от зимней стужи.

Плохая теплопроводность, появившаяся в процессе эволюции в качестве защиты от критических температур, у живых организмов. Шерсть, пух, волосы, жир обладают очень низкой теплопроводностью. Именно поэтому мы не мерзнем зимой в теплых носках, песцы могут спать на снегу, а моржи выживают в условиях Арктики за счет жировой прослойки.

В таблице приведены примеры материалов, веществ и сред с наименьшей и наибольшей теплопроводностью.

Таблица 1

Исходя из данных, приведенных в таблице, можно сделать некоторые выводы:

1. В вакууме тепло не проводится. Передача тепла в вакууме может происходить с помощью излучения. Таким способом тепло Солнца доходит до нашей планеты.

2. Материал с наивысшей теплопроводностью называется графен, который активно используется в наноэлектронике.

3. Металлы тоже достаточно теплопроводные. Известно, как быстро нагревается металлическая ложка в горячем супе.

4. Строительные материалы обладают низкой теплопроводностью, что и обуславливает их использование для возведения теплых и надежных жилищ.

С понятием теплопроводности тесно связано понятие теплоемкости.

Теплоемкостью называют количество тепла, которое поглотило тело (вещество), чтобы его температура повысилась на 1 градус. Действительно, для повышения температуры металлического стержня на 1 градус, необходимо, чтобы он обладал теплопроводностью для равномерного нагревания всего объёма.

Знания о теплопроводности веществ и материалов необходимы в строительстве, промышленности, быту. Степень теплопроводности материала обуславливает его применение в той или иной сфере. Разработка и поиск новых веществ с уникальными теплоизоляционными свойствами – важнейшая задача современной науки.

Допустимые параметры теплового облучения

Разрешенная интенсивность теплового облучения в связи с характером производственного процесса установлена СанПиН 2.2.4.3359-16 «Санитарно-эпидемиологические требования к физическим факторам на рабочих местах». В частности, этот документ устанавливает, что указанная интенсивность нормируется не только по абсолютным значениям, но и зависит от того, насколько велика площадь поверхности тела сотрудника, которая подвергается воздействию данного фактора.

Доля площади тела, подвергающаяся облучению	Максимальный разрешенный уровень облучения, Вт/кв.м
Свыше 50	35
От 25 до 50	70
Менее 25	100

При этом работодателю необходимо иметь в виду, что указанные нормативы действительно только для случаев, когда источник тепла, в непосредственной близости от которого работает сотрудник, нагрет до температуры, не превышающей 600 градусов. Если фактический уровень нагрева превышает этот порог, максимальный разрешенный уровень облучения должен составлять не более 140 Вт/кв.м, причем площадь поверхности тела, подвергающаяся облучению, должна составлять не более 25%. В таких условиях работник обязательно должен носить специальную защитную одежду и средства, закрывающие лицо и глаза.

Использование специальной одежды и других средств снижения вредного влияния

Вместе с тем, применение защитных средств и одежды в условиях повышенных температур в производственном помещении также имеет свои особенности. Так, в частности, их использование предполагает снижение нормативов температур, считающихся разрешенными в теплый сезон года, на два градуса. Указанное снижение должно быть применено в случае, если используемая одежда влечет за собой ухудшение характеристик теплообмена тела человека с окружающей средой. Это, в частности, описывается следующими параметрами одежды:

• проницаемость воздуха ниже 50 куб.дм/кв.м;
• проницаемость пара ниже 40 мг/кв.м*ч;
• гигроскопичность ниже 7%.

Помимо предоставления спецодежды и защитных средств, работодатель должен обеспечить сотруднику соблюдение режимов максимальной длительности пребывания на рабочем месте с повышенной температурой и дать ему возможность отдыха в помещении с нормальными микроклиматическими условиями.

Разрешенная температура окружающего воздуха

В случае наличия интенсивного теплового излучения на рабочем месте необходимо предусмотреть нормирование температуры окружающего воздуха. При этом установленные пределы разрешенных температур находятся в тесной связи с тем, к какой категории работ по уровню энергетических затрат принадлежат выполняемые сотрудником трудовые функции. В частности, допустимыми считаются следующие температурные показатели.

Категория работ	Уровень энергетических затрат	Разрешенная температура воздуха
Iа	Ниже 139 Вт	25 градусов
Iб	От 140 до 174 Вт	24 градуса
IIа	От 175 до 232 Вт	22 градуса
IIб	От 233 до 290 Вт	21 градус
III	Выше 290 Вт	20 градусов

Закон Стефана — Больцмана

Над энергией излучения чёрного тела в своё время задумались два физика Джозеф Стефан и Людвиг Больцман. Они смогли вывести формулу, которая описывала, как с увеличением температуры возрастает излучаемая энергия. На их законе основан принцип работы тепловизора. Это устройство с экраном, на который выводится изображение изучаемой поверхности тела. При этом в зависимости от мощности излучения участки тела имеют разный цвет. Так, наименьшая отображается синими тонами и соответствует холодным участкам. Наибольшая — красным цветом (нагретые места).

Формула, полученная физиками, выглядит так: R = σ * T4. Где:

• T — Абсолютная температура в кельвинах ;
• σ — постоянная Стефана — Больцмана равная 5,67 * 10-8 Вт / (м2 * К);
• R — энергетическая светимость тела измеряемая в ваттах делённых на квадратный метр [Вт /м2].

С помощью этой формулы, зная температуру тела, например, лампы накаливания, можно рассчитать, сколько энергии будет излучаться в пространство. Интересным фактом является то, что если предмет нагреть в два раза, то его тепловое испускание возрастёт в 16 раз. По сути, формула позволяет представить, какую энергию будет излучать в единицу времени тело площадью один квадратный метр. Другими словами, узнать отдаваемую мощность.

Тепловые лучи распространяются подобно световым лучам. Они передают энергию как излучение, а также проходят в безвоздушном пространстве. Например, тепловое излучение Земли состоит из баланса энергий процессов теплопередачи, излучения в атмосфере и на поверхности планеты. Основной приток энергии обеспечивают солнечные лучи, распространяющиеся в диапазоне от 0,1 до 4 мкм.

Способность тепловосприятия зависит от вида поверхности. Так, тела с тёмной и шероховатой нагреваются сильнее, чем светлые и гладкие тела. Они поглощают большую часть теплового излучения. В качестве примеров можно привести, нагрев тёмных волос, одежды солнечным светом. Но при этом, тёмные тела излучают и больше тепла по сравнению со светлыми.