Přenos tepla

Aktuální verze stránky ještě nebyla zkontrolována zkušenými přispěvateli a může se výrazně lišit od verze recenzované 8. září 2022; ověření vyžaduje 1 úpravu .

Přenos tepla je fyzikální proces přenosu tepelné energie z teplejšího tělesa do méně horkého, a to buď přímo (při kontaktu), nebo přes prostředník (vodič) nebo oddělovací přepážku (tělo nebo médium) z jakéhokoli materiálu. Když fyzická těla jednoho systému mají různé teploty , pak dochází k přenosu tepelné energie nebo přenosu tepla z jednoho tělesa na druhé, dokud není dosaženo termodynamické rovnováhy . K samovolnému přenosu tepla dochází vždy z teplejšího tělesa na méně horké, což je důsledek druhého termodynamického zákona .

Typy přenosu tepla

Celkem existují tři jednoduché (elementární) mechanismy přenosu tepla:

Existují také různé druhy přenosu tepla, které jsou kombinací elementárních typů. Hlavní jsou:

přenos tepla (konvekční přenos tepla mezi proudy kapaliny nebo plynu a povrchem pevného tělesa),
přenos tepla (přenos tepla z horkého média [kapalina, plyn nebo pevná látka] do studeného skrz stěnu, která je odděluje),
konvekčně-sálavé předávání tepla (společný přenos tepla sáláním a konvekcí),
termomagnetická konvekce .

Vnitřní zdroje tepla je pojem teorie přenosu tepla, který popisuje proces výroby (výjimečně absorpce) tepelné energie uvnitř hmotných těles bez jakéhokoli přívodu nebo přenosu tepelné energie zvenčí. Mezi vnitřní zdroje tepla patří:

výroba tepla při provozu elektrického proudu ,
uvolňování tepla při jaderných reakcích,
uvolňování tepla při chemických reakcích.

Advekce

Advekce nastává přenosem hmoty a energie, včetně tepla, přesunem horkého nebo studeného objemu z jednoho místa na druhé prostřednictvím fyzického přenosu. [1] Příklady zahrnují plnění láhve horkou vodou a pohyb ledovce přes mořské proudy. Praktickým příkladem je tepelná hydraulika, kterou lze popsat jednoduchým vzorcem:

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

kde

${\displaystyle \phi _{q))$ tepelný tok (W/m 2 ),
$\rho$ hustota látky (kg/m 3 ),
$c_p$ - tepelná kapacita při konstantním tlaku (J / kg K),
$\Delta T$ - teplotní rozdíl (K),
$proti$ rychlost (m/s).

Tepelná vodivost

V mikroskopickém měřítku dochází k tepelnému vedení, když horké, rychle se pohybující nebo vibrující atomy a molekuly interagují se sousedními atomy a molekulami a přenášejí část své kinetické energie na tyto částice. Jinými slovy, teplo se přenáší vedením, když se sousední atomy pohybují vůči sobě navzájem nebo když se elektrony pohybují z jednoho atomu na druhý. Tepelné vedení se zdá být nejdůležitějším prostředkem přenosu tepla uvnitř pevné látky nebo mezi pevnými předměty v tepelném kontaktu . Kapaliny, zejména plyny, mají nižší tepelnou vodivost. Kontaktní tepelná vodivost je studium tepelné vodivosti mezi pevnými látkami v kontaktu. [2] Proces přenosu tepla z jednoho objemu do druhého bez makroskopického pohybu částic se nazývá tepelná vodivost. Například, když položíte ruku na studenou sklenici vody, teplo se přenese z teplé kůže do studeného skla, ale pokud je vaše ruka od skla vzdálena několik centimetrů, pak bude tepelná vodivost zanedbatelná, protože vzduch dobře vést teplo. Stacionární tepelná vodivost je idealizovaný model tepelné vodivosti, který nastává při konstantním teplotním rozdílu, to znamená, když se prostorové rozložení teplot, ke kterému dochází po určité době v teplovodivém objektu, nemění (viz Fourierův zákon ). [3] V ustáleném stavu vedení tepla se množství tepla vstupující do těla rovná množství tepla odcházejícího, protože v tomto režimu je změna teploty (míra tepelné energie) nulová. Příkladem stacionárního vedení tepla je tok tepla stěnami teplého domu za chladného dne - uvnitř domu se udržuje vysoká teplota a venkovní teplota zůstává nízká, takže přenos tepla za jednotku času zůstává konstantní, stanovené tepelnou izolací stěny matas hebra a prostorové rozložení teploty ve stěnách bude v čase přibližně konstantní.

Nestacionární vedení tepla je popsáno tepelnou rovnicí a dochází k němu, když se teplota uvnitř objektu mění v závislosti na čase. Analýza nestacionárních systémů je složitější a analytická řešení rovnice tepla se získávají pouze pro idealizované modelové systémy. V praktických aplikacích se obvykle používají numerické metody, aproximační metody nebo empirické studie. [2]

Konvekce

Konvektivní přenos tepla, nebo jednoduše konvekce , je proces přenosu tepla z jednoho objemu do druhého v důsledku pohybu kapalin a plynů, proces, který je v podstatě přenosem tepla prostřednictvím přenosu hmoty .

Pohyb hmoty tekutiny zlepšuje přenos tepla v mnoha fyzikálních situacích, jako je přenos tepla mezi pevným povrchem a tekutinou. [čtyři]

Konvekce obvykle dominuje procesu přenosu tepla v kapalinách a plynech. Ačkoli se někdy označuje jako třetí způsob přenosu tepla, konvekce se běžně používá k popisu kombinovaných účinků vedení tepla v tekutině ( difúze ) a přenosu tepla proudem objemné tekutiny. [5]

Proces přenosu tepla prouděním tekutiny je známý jako advekce, ale čistá advekce je termín obvykle spojený pouze s přenosem hmoty v tekutině, jako je advekce oblázků v řece. V případě přenosu tepla v kapalině je advekční transport v kapalině vždy doprovázen přenosem tepla difuzí (též vedení tepla), proces konvekce je chápán jako součet přenosu tepla advekcí a difúze/kondukce.

Volná nebo přirozená konvekce nastává, když jsou objemové pohyby tekutiny (proudění a proudy) způsobeny vztlakovými silami, které jsou důsledkem změn hustoty tekutiny v závislosti na teplotě. K nucené konvekci dochází, když jsou toky kapaliny indukovány externími prostředky, jako jsou ventilátory, míchadla a čerpadla. [6]

Tepelné záření

Tepelné záření je přenášeno vakuem nebo jakýmkoli průhledným prostředím ( pevným, kapalným nebo plynným ). Takový přenos energie pomocí fotonů elektromagnetických vln podléhá stejným zákonům. [7]

Tepelné záření je energie vyzařovaná hmotou ve formě elektromagnetických vln v důsledku přítomnosti tepelné energie ve veškeré hmotě při teplotě nad absolutní nulou . Tepelné záření se šíří bez hmoty ve vakuu . [osm]

Tepelné záření existuje v důsledku náhodných pohybů atomů a molekul v hmotě. Protože jsou tyto atomy a molekuly tvořeny nabitými částicemi ( protony a elektrony ), jejich pohyb má za následek emisi elektromagnetického záření , které odnáší energii pryč z povrchu.

Stefan-Boltzmannova rovnice , která popisuje rychlost přenosu zářivé energie pro objekt ve vakuu, je napsána takto:

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

Pro přenos záření mezi dvěma tělesy platí následující rovnice:

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

kde

${\displaystyle \phi _{q))$ tepelný tok,
$\epsilon$ - emisivita (rovná jedné pro zcela černé těleso ),
$\sigma$ je Stefan-Boltzmannova konstanta ,
$F$ koeficient viditelnosti mezi dvěma plochami a a b, [9] a
$T_{a}$ a jsou absolutní teploty (v kelvinech nebo stupních Rankina) pro dva objekty. ${\displaystyle T_{b))$

Záření je obvykle důležité pouze pro velmi horké předměty, nebo pro předměty s velkými teplotními rozdíly, případně pro tělesa ve vakuu.

Záření ze slunce nebo sluneční záření lze využít k výrobě tepla a energie. [10] Na rozdíl od vedení tepla a konvekčních forem přenosu tepla lze tepelné záření, které přichází pod úzkým úhlem, tedy ze zdroje mnohem menšího, než je vzdálenost k němu, koncentrovat na malém místě pomocí reflexních zrcadel, která se používají k koncentrovat sluneční energii nebo hořící čočku. [11] Například sluneční světlo odražené od zrcadel se využívá v solární elektrárně PS10, která dokáže během dne ohřát vodu až na 285 °C (545 °F) .

Dosažitelná teplota v cíli je omezena teplotou horkého zdroje záření. ( Zákon T 4 umožňuje obrácený tok záření k ohřevu zdroje). Horké slunce (na jeho povrchu má teplotu přibližně 4000 K) umožňuje dosažení přibližně 3000 K (nebo 3000 °C) na malé sondě v ohnisku velkého konkávního koncentračního zrcadla v solární peci Mont-Louis ve Francii. [12]

Součinitel prostupu tepla

Koeficient prostupu tepla ukazuje, kolik tepla projde za jednotku času z více ohřátého do méně ohřátého chladiva přes 1 m 2 teplosměnné plochy při rozdílu teplot mezi chladivami 1 K. Obvykle se vyjadřuje ve W / (m 2 ·K), v referenčních knihách lze také uvést množství průtoku za jednu hodinu. Ve stavebnictví se rozšířila reciproční hodnota - „koeficient tepelného odporu“.

Základní rovnice přenosu tepla

Základní rovnice přenosu tepla: množství tepla přeneseného z více zahřátého tělesa na méně zahřáté je úměrné teplosměnné ploše, průměrnému teplotnímu rozdílu a času:

Q'=K\cdot F\cdot \Delta t_{\text{cf))\cdot \tau ,

kde

K je součinitel prostupu tepla podél teplosměnné plochy, F je teplosměnná plocha, Δ t cf - průměrný logaritmický rozdíl teplot (průměrný rozdíl teplot mezi nosiči tepla), τ je čas.

Poznámky

↑ Hromadný přenos . Thermal-FluidsPedia . Thermal Fluids Central. Získáno 9. března 2021. Archivováno z originálu dne 12. dubna 2021. (neurčitý)
↑ 1 2 Abbott, JM Úvod do chemického inženýrství Termodynamika / JM Abbott, HC Smith, MM Van Ness. — 7. - Boston, Montreal: McGraw-Hill, 2005. - ISBN 0-07-310445-0 .
↑ Vedení tepla . Thermal-FluidsPedia . Thermal Fluids Central. Získáno 9. března 2021. Archivováno z originálu dne 12. dubna 2021. (neurčitý)
↑ Zengel, Yunus. Přenos tepla: Praktický přístup . — 2. - Boston: McGraw-Hill, 2003. - ISBN 978-0-07-245893-0 . Archivováno 26. května 2021 na Wayback Machine
↑ Přenos tepla konvekcí . Thermal-FluidsPedia . Thermal Fluids Central. Získáno 9. března 2021. Archivováno z originálu dne 31. října 2018. (neurčitý)
↑ Konvekce – přenos tepla . Engineers Edge. Získáno 20. dubna 2009. Archivováno z originálu 18. listopadu 2018. (neurčitý)
↑ Transportní procesy a principy separace. — Prentice Hall. — ISBN 0-13-101367-X .
↑ Záření . Thermal-FluidsPedia . Thermal Fluids Central. Získáno 9. března 2021. Archivováno z originálu dne 14. března 2021. (neurčitý)
↑ Přenos tepla tepelným zářením. — Taylor a Francis.
↑ Mojiri, A (2013). "Spektrální dělení paprsku pro účinnou přeměnu sluneční energie — recenze." Recenze obnovitelné a udržitelné energie . 28 : 654-663. DOI : 10.1016/j.rser.2013.08.026 .
↑ Taylor, Robert A. (březen 2011). „Použitelnost nanokapalin v solárních kolektorech s vysokým tokem“ . Journal of Renewable and Sustainable Energy . 3 (2): 023104. doi : 10.1063 /1.3571565 . Archivováno z originálu dne 2021-04-19 . Staženo 2021-03-09 . Použitý zastaralý parametr |deadlink=( nápověda )
↑ Megan Crouse: This Gigantic Solar Furnace Can Melt Steel Archivováno 25. července 2019 na Wayback Machine production.net , 28. července 2016, staženo 14. dubna 2019.

Literatura

Grigoriev B. A., Tsvetkov F. F. Přenos tepla a hmoty: Proc. příspěvek - 2. vyd. - M: MPEI, 2005.
Isachenko V.P. et al. Přenos tepla: Učebnice pro univerzity. 3. vyd., revidováno. a doplňkové - M.: Energie, 1975.
Galin N. M., Kirillov P. L. Přenos tepla a hmoty. — M.: Energoatomizdat, 1987.
Kartashov EM Analytické metody tepelné vodivosti pevných látek. - M .: Vyšší. škola, 1989.
Krupnov B. A., Sharafadinov N. S. Směrnice pro projektování systémů vytápění, větrání a klimatizace. 2008
Kotlyar Ya. M., Perfection VD, Strizhenov DS Metody a problémy přenosu tepla a hmoty. - M .: Mashinostroenie, 1987. - 320 s.
Lykov AV, Michajlov Yu. A. Teorie přenosu energie a látek. - Minsk, Akademie věd BSSR, 1959. - 330 s.