Теплопередача

Адвекция происходит путем передачи вещества и энергии, включая тепловую, перемещая посредством физического переноса горячего или холодного объёма из одного места в другое.[1] В качестве примеров можно указать заполнение бутылки горячей водой и передвижение айсберга посредством океанских течений. Практический пример — теплогидравлика, которую можно описать простой формулой:

${\displaystyle \phi _{q}=v\rho c_{p}\Delta T}$

где

• ${\displaystyle \phi _{q}}$ тепловой поток (Вт/м²),
• ${\displaystyle \rho }$ плотность вещества (кг/м³),
• ${\displaystyle c_{p}}$ — теплоемкость при постоянном давлении (Дж/кг·К),
• ${\displaystyle \Delta T}$ — разница температур (К),
• ${\displaystyle v}$ скорость (м/с).

В микроскопическом масштабе теплопроводность происходит, когда горячие, быстро движущиеся или колеблющиеся атомы и молекулы взаимодействуют с соседними атомами и молекулами, передавая часть своей кинетической энергии этим частицам. Другими словами, тепло передается за счет теплопроводности, когда соседние атомы движутся друг относительно друга или когда электроны перемещаются от одного атома к другому. Теплопроводность представляется наиболее важным средством передачи тепла внутри твердого тела или между твердыми объектами, находящимися в тепловом контакте. Жидкости, особенно газы, обладают меньшей теплопроводностью. Контактная теплопроводность — это исследование теплопроводности между соприкасающимися твердыми телами.[2] Процесс передачи тепла из одного объёма в другой без макроскопического движения частиц называется теплопроводностью. Например, когда вы кладете руку на холодный стакан с водой — тепло передается от теплой кожи к холодному стеклу, но если рука находится на расстоянии нескольких сантиметров от стекла, то теплопроводность будет незначительной, поскольку воздух плохо проводит тепло. Стационарная теплопроводность — это идеализированная модель теплопроводности, которая возникает при постоянной разности температур, то есть когда возникающая через некоторое время пространственное распределение температур в теплопроводящем объекте не изменяется (см Закон Фурье).[3] В установившемся режиме теплопроводности количество тепла, поступающего в тело, равно количеству выходящего тепла, поскольку, в этом режиме, изменение температуры (мера тепловой энергии) равно нулю. Примером стационарной теплопроводности является поток тепла через стены теплого дома в холодный день — внутри дома поддерживается высокая температура, а снаружи температура остается низкой, поэтому передача тепла в единицу времени остается постоянной, определяемой теплоизоляцией стены, а пространственное распределение температуры в стенах будет примерно постоянным во времени.

Нестационарная теплопроводность описывается уравнением теплопроводности и возникает, когда температура внутри объекта изменяется как функция времени. Анализ нестационарных систем более сложен, и аналитические решения уравнения теплопроводности получены только для идеализированных модельных систем. В практических приложениях обычно используются численных методы, методы аппроксимации или эмпирические исследования.[2]

Конвективная теплопередача, или просто конвекция, — это процесс передачи тепла от одного объёма к другому за счёт движения жидкостей и газов, процесс, который по сути является передачей тепла посредством массообмена.

Движение массы жидкости улучшает теплопередачу во многих физических ситуациях, таких как теплообмен между твердой поверхностью и жидкостью.[4]

Конвекция обычно доминирует в процессе теплопередачи в жидкостях и газах. Хотя иногда её называют третьим методом теплопередачи, конвекция обычно используется для описания комбинированных эффектов теплопроводности внутри текучей среды (диффузия) и теплопередачи за счет объемного потока текучей среды.[5]

Процесс переноса тепла с потоком жидкости известен как адвекция, но чистая адвекция — это термин, который обычно ассоциируется только с переносом массы в жидкости, например адвекцией гальки в реке. В случае теплопередачи в жидкости, перенос посредством адвекции в жидкости всегда сопровождается переносом тепла посредством диффузии (также известной как теплопроводность), процесс конвекции понимается как сумма переноса тепла посредством адвекции и диффузии/теплопроводности.

Свободная или естественная конвекция возникает, когда объемные движения жидкости (потоки и течения) вызываются силами плавучести, которые возникают в результате изменения плотности зависящей от температуры жидкости. Вынужденная конвекция возникает, когда потоки в жидкости индуцируются внешними средствами, такими как вентиляторы, мешалки и насосы.[6]

Раскаленный железный предмет, передающий тепло в окружающую среду посредством теплового излучения

Тепловое излучение передаётся через вакуум или любую прозрачную среду (твердую, жидкую или газообразную). Такая передача энергии с помощью фотонов электромагнитных волн, подчиняющаяся тем же законам.[7]

Тепловое излучение — это энергия, излучаемая веществом в виде электромагнитных волн из-за наличия тепловой энергии во всем веществе при температуре выше абсолютного нуля. Тепловое излучение распространяется без материи в вакууме.[8]

Тепловое излучение существует благодаря беспорядочным движениям атомов и молекул в веществе. Поскольку эти атомы и молекулы состоят из заряженных частиц (протонов и электронов), их движение приводит к испусканию электромагнитного излучения, которое уносит энергию от поверхности.

Уравнение Стефана — Больцмана, которое описывает скорость передачи лучистой энергии, для объекта в вакууме записывается следующим образом:

${\displaystyle \phi _{q}=\epsilon \sigma T^{4}.}$

Для переноса излучения между двумя телами уравнение выглядит следующим образом:

${\displaystyle \phi _{q}=\epsilon \sigma F(T_{a}^{4}-T_{b}^{4}),}$

где

• ${\displaystyle \phi _{q}}$ тепловой поток,
• ${\displaystyle \epsilon }$ — коэффициент излучения (равен единице для абсолютно чёрного тела),
• ${\displaystyle \sigma }$ — постоянная Стефана — Больцмана,
• ${\displaystyle F}$ коэффициент видимости между двумя поверхностями a и b,[9] и
• ${\displaystyle T_{a}}$ и ${\displaystyle T_{b}}$ — абсолютные температуры (в кельвинах или градусах Ренкина) для двух объектов.

Излучение обычно важно только для очень горячих объектов или для объектов с большой разницей температур или для тел в вакууме.

Излучение солнца или солнечное излучение можно использовать для получения тепла и энергии.[10] В отличие от теплопроводности и конвективных форм теплопередачи, тепловое излучение, приходит в узком углу, то есть исходящее от источника, намного меньшего, чем расстояние до него, и может быть сконцентрировано в небольшом пятне с помощью отражающих зеркал, которые используются для концентрации солнечной энергии, или выжигательной линзой.[11] Например, солнечный свет, отраженный от зеркал, используется в солнечной электростанции PS10, которая днем может нагреть воду до 285 °C (545 °F). 

Достижимая температура на цели ограничена температурой горячего источника излучения. (^{Закон T 4} позволяет обратному потоку излучения нагревать источник). Горячее солнце (на своей поверхности имеет температуру примерно 4000 К) позволяет достичь примерно 3000 К (или 3000 ° C) на маленьком зонде в фокусе большого вогнутого концентрирующего зеркала в солнечной печи Мон-Луи во Франции.[12]