Какой вид теплопередачи сопровождается переносом вещества?

Теплопроводность

Теплопроводность — явление передачи внутренней энергии от одной части тела к другой или от одного тела к другому при их непосредственном контакте.Наибольшей теплопроводностью обладают металлы — она у них в сотни раз больше, чем у воды. Исключением являются ртуть и свинец, но и здесь теплопроводность в десятки раз больше, чем у воды.
При опускании металлической спицы в стакан с горячей водой очень скоро конец спицы становился тоже горячим. Следовательно, внутренняя энергия, как и любой вид энергии, может быть передана от одних тел к другим. Внутренняя энергия может передаваться и от одной части тела к другой. Так, например, если один конец гвоздя нагреть в пламени, то другой его конец, находящийся в руке, постепенно нагреется и будет жечь руку.
Нагревание кастрюли на электрической плитке происходит через теплопроводность.
Изучим это явление, проделав ряд опытов с твердыми телами, жидкостью и газом.
Внесем в огонь конец деревянной палки. Он воспламенится. Другой конец палки, находящийся снаружи, будет холодным. Значит, дерево обладает плохой теплопроводностью.
Поднесем к пламени спиртовки конец тонкой стеклянной палочки. Через некоторое время он нагреется, другой же конец, останется холодным. Следовательно, и стекло имеет плохую теплопроводность.
Если же мы будем нагревать в пламени конец металлического стержня, то очень скоро весь стержень сильно нагреется. Удержать его в руках мы уже не сможем.
Значит, металлы хорошо проводят тепло, т. е. имеют большую теплопроводность. Наибольшей теплопроводностью обладают серебро и медь.Теплопроводность у различных веществ различна.Плохой теплопроводностью обладают шерсть, волосы, перья птиц, бумага, пробка и другие пористые тела. Это связано с тем, что между волокнами этих веществ содержится воздух. Самой низкой теплопроводностью обладает вакуум (освобожденное от воздуха пространство). Объясняется это тем, что теплопроводность — это перенос энергии от одной части тела к другой, который происходит при взаимодействии молекул или других частиц. В пространстве, где нет частиц, теплопроводность осуществляться не может.
Если возникает необходимость предохранить тело от охлаждения или нагревания, то применяют вещества с малой теплопроводностью. Так, для кастрюль, сковородок ручки из пластмассы. Дома строят из бревен или кирпича, обладающих плохой теплопроводностью, а значит, предохраняют от охлаждения.

Излучение

Излучение — электромагнитное излучение, испускаемое за счет внутренней энергии веществом, находящимся при определенной температуре.
Мощность теплового излучения объекта, удовлетворяющего критериям абсолютно черного тела, описывается законом Стефана — Больцмана.
Отношение излучательной и поглощательной способностей тел описывается законом излучения Кирхгофа.
Передача энергии излучением отличается от других видов теплопередачи: она может осуществляться в полном вакууме.
Излучают энергию все тела: и сильно нагретые, и слабо, например тело человека, печь, электрическая лампочка и др. Но чем выше температура тела, тем больше энергии передает оно путем излучения. При этом энергия частично поглощается этими телами, а частично отражается. При поглощении энергии тела нагреваются по-разному, в зависимости от состояния поверхности.
Тела с темной поверхностью лучше поглощают и излучают энергию, чем тела, имеющие светлую поверхность. В то же время тела с темной поверхностью охлаждаются быстрее путем излучения, чем тела со светлой поверхностью. Например, в светлом чайнике горячая вода дольше сохраняет высокую температуру, чем в темном.

Другие заметки по физике

Теплопередача: особенности процесса

Существует взаимодействие между тепловым излучением, конвекцией, теплопроводностью. Например, в процессе конвекции происходит тепловое излучение. Теплопроводность в пористых материалах невозможна без излучения и конвекции.

При проведении практических вычислений деление сложных процессов на отдельные явления не всегда целесообразно и возможно. В основном результат суммарного воздействия нескольких простейших явлений приписывают тому процессу, который считается основным в конкретном случае.

Второстепенные процессы при таком подходе учитывают только для количественных вычислений.

В современных теплообменных аппаратах происходит передача теплоты от одного вида жидкости к другой жидкости через стенку, которая их разделяет. Важным фактором, который влияет на коэффициент теплообмена, является форма стенки. Если она плоская, в таком случае можно выделить три этапа теплопередачи:

  • к поверхности стенки от нагревающей жидкости;
  • теплопроводностью через стенку;
  • к нагреваемой жидкости к поверхности стенки.

Полное термическое сопротивление теплопередачи является величиной, которая обратна коэффициенту теплопередачи.

Конвективный перенос — вещество

Конвективный перенос вещества связан обычно с турбулентным движением газа или жидкости. Изучение таких процессов, как растворение металлов или солей в турбулентно движущейся жидкости, может поэтому дать ценные сведения о свойствах турбулентного движения и представляет существенный интерес с точки зрения гидродинамики. Раздел макроскопической кинетики, имеющий целью выяснение гидродинамических проблем с помощью исследования химических процессов, мы называем химической гидродинамикой.

Конвективный перенос вещества под действием турбулентных пульсаций называют турбулентной диффузией.

Конвективный перенос вещества, осуществляемый под действием турбулентных пульсаций, часто называют турбулентной диффузией.

Конвективный перенос вещества связан обычно с турбулентным движением газа или жидкости. Изучение таких процессов, как растворение металлов или солей в турбулентно движущейся жидкости, может поэтому дать ценные сведения о свойствах турбулентного движения и представляет существенный интерес с точки зрения гидродинамики. Раздел макроскопической кинетики, имеющий целью выяснение гидродинамических проблем с помощью исследования химических процессов, мы называем химической гидродинамикой.

Модель конвективного переноса веществ, или поршневого вытеснения воды одного состава водой другого состава, широко используется в СССР и за рубежом не только при прогнозе качества воды в связи с оценкой эксплуатационных запасов подземных вод, но и при разработке проектов технических мероприятий по защите подземных вод от загрязнения, а также для.

Действительная картина растекания вещества.

Критерием чисто конвективного переноса вещества является малость диффузионных членов в правой части (6.118) по сравнению с конвективным членом в левой части. Правая часть содержит два слагаемых.

В основе расчета конвективного переноса вещества из сплошной среды к поверхности твердого тела лежат понятия и подходы, изложенные в разд.

Левая часть уравнения выражает конвективный перенос вещества движущейся жидкостью, правая — выражение для переноса вещества молекулярной диффузией в жидкости. Уравнение дано для случая, когда к месту реакции диффундирует только одно вещество. Точное решение уравнения может быть проведено для отдельных немногих случаев при наличии простых геометрических условий.

Левая часть этого уравнения характеризует конвективный перенос вещества потоком жидкости, а его правая часть соответствует переносу вещества за счет молекулярной диффузии.

Массообмен, обусловленный совместным действием конвективного переноса вещества и молекулярной диффузии, называют конвективным массообменом.

Оно включает член, ответственный за конвективный перенос веществ А и В в направлении вниз по стенке, однако молекулярная диффузия в этом направлении уравнениями (20.144) и (20.145) не учитывается. Следует, наконец, еще раз подчеркнуть, что формулы (20.144) и (20.145) выведены в предположении о постоянстве величин ХАО и NAU / NBO во всех точках межфазной поверхности и о постоянстве концентрации ЖАОО в глубине жидкой пленки.

Формула ( 5) учитывает влияние конвективного переноса вещества на скорость массопередачи, осложненной быстропротекающей необратимой химической реакцией. В частном случае при ц 1 и Re f 80 значение для критерия Нуссельта находится в близком соответствии с полученным в работе , в которой авторы рассмотрели подобную задачу в приближении пенетрационной модели Хигби. С увеличением л скорость массопередачи убывает.

Формула ( 24) позволяет учесть влияние конвективного переноса вещества на скорость массопередачи, осложненной быстропротекающей необратимой химической реакцией.

Молекулярная диффузия обычно мала по сравнению с конвективным переносом веществ. Поэтому в расчетах правой частью уравнения 1 пренебрегают.

2.2.6 Формальное решение уравнения переноса

Умножив уравнение  ()
на интегрирующий множитель , получаем решение

(2.23)

Физический смысл этого решения прост. 1-е слагаемое:
начальное излучение уменьшилось в раз
из-за поглощения; 2-е слагаемое: источник, проинтегрированный
вдоль луча зрения с учетом поглощения.

Это решение показывает важность определния функции источника
как функции оптической глубины. Если она известна, решение
выписано выше  ()

Однако во многих реальных ситуациях функция источника
заранее неизвестна, поэтому решение уравнения переноса
является сложной задачей.

Рассмотрим несколько важных примеров.

Пример 1. Пусть функция источника постоянна в среде, т.е.
не зависит от оптической глубины,
. Тогда

(2.24)

Это решение имеет простой физический смысл:

1) в пределе больших оптических
толщин
интенсивность излучения
становится равной функции источника
.
(Осторожнее! Если в среде есть рассеяние, то интенсивность
сама дает вклад в функцию источника, и
картина сильно усложняется).

2) Если , то , уменьшается вдоль луча

3) Если , то , возрастает вдоль луча

Заключение: Интенсивность ВСЕГДА стремится к функции источника

Пример 2: Образование спектральных линий.

Спектральные линии (излучения или поглощения)
образуются тогда, когда есть выделенные частоты, на которых
микроскопические коэффициенты излучения
и поглощения как функции частоты имеют экстремумы.
Пусть, например, коэффициент
поглощения имеет острый максимум на частоте .
Пусть для простоты функция источника не меняется с глубиной.
Возможны несколько
вариантов наблюдаемого излучения.

2а). Среда оптически толстая на всех частотах .
Линий нет, виден непрерывный спектр.

2б). Среда оптически тонкая, на всех частотах, фоновой
подсветки нет (). В соответствии с  (), наблюдается
линия излучения на частоте , причем ее максимальная
интенсивность меньше функции источника
.

2в). Ничего качественно не изменяется в случае, если
есть фоновая подсветка
.

2г). Качественно иная картина, если фоновая подсветка больше функции
источника
— появляется линия поглощения.

2д)-2е). Для случая большой оптической толщи в центре линии,

, картина качественно не меняется, за исключением
достижения в линии величины функции источника.

Эти случаи проиллюстрированы на Рис.  ().

Рис. 2.1
Образование спектральных линий в однородных облаках.
Линии не образуются, когда облако оптически толстое (слева вверху).
В оптически тонком облаке линии образуются только
если оно «подсвечено»
(, вверху справа), или когда оно освещено и

. Линии поглощения образуются только в оптически
тонких объектах при
. Линия достигает насыщения

, когда облако оптически толстое в центре
линии.

2.1 Уравнение переноса
| Оглавление |
2.3 Тепловое излучение >>


Публикации с ключевыми словами:
звезды — Межзвездная среда — Космология — теоретическая астрофизика — астрофизика
Публикации со словами:
звезды — Межзвездная среда — Космология — теоретическая астрофизика — астрофизика


См. также:

Все публикации на ту же тему >>

Мнения читателей


Астрометрия

Астрономические инструменты

Астрономическое образование

Астрофизика

История астрономии

Космонавтика, исследование космоса

Любительская астрономия

Планеты и Солнечная система

Солнце

Теплопроводность в твердой стенке

В качестве обязательного условия для данного процесса считается разность температур поверхностей стенки. В такой ситуации образуется поток теплоты, который направлен от стенки с большим значением температуры к поверхности стенки с небольшой температурой.

По закону Фурье тепловой поток будет пропорционален площади стенки, а также температурному напору, и обратно пропорционален толщине этой стенки.

Приведенное сопротивление теплопередаче зависит от теплопроводности материала, из которого изготовлены стенки. Если они включают в себя несколько разных слоев, их считают многослойными поверхностями.

В качестве примера подобных материалов можно назвать стены домов, где на кирпичный слой наносят внутреннюю штукатурку, а также внешнюю облицовку. В случае загрязнения наружной поверхности передающей тепловую энергию, к примеру, радиаторов либо двигателей, грязь можно рассмотреть как наложение нового слоя, имеющего незначительный коэффициент теплопроводности.

Именно из-за этого снижается теплообмен, возникает угроза перегревания работающего двигателя. Аналогичный эффект вызывает нагар и накипь. При увеличении количества слоев стенки растет ее максимальное термическое сопротивление, уменьшается величина теплового потока.

Для многослойных стенок распределение температуры является ломаной линией. Во многих теплообменных аппаратах осуществляется прохождение теплового потока через стенки круглых трубок. Если нагревающее тело движется внутри таких трубок, то в таком случае тепловой поток направлен к наружным стенкам от внутренних частей. При наружном варианте наблюдается обратный процесс.

Изотермическая поверхность

Независимо от температурного поля, всегда можно выявить точки, имеющие одинаковое температурное значение. Геометрическое расположение их образует определенную изотермическую поверхность.

В одной точке пространства не допускается одновременного нахождения двух разных температур, поэтому изотермические поверхности не могут пересекаться между собой. Можно сделать вывод о том, что изменение в теле значения температуры проявляется лишь в тех направлениях, которые пересекают изотермические поверхности.

Максимальный скачок отмечается в направлении нормали к поверхности. Температурный градиент представляет собой отношение наибольшего показателя температур к промежутку между изотермами и является векторной величиной.

Он показывает интенсивность изменения температуры внутри тела, определяет коэффициент теплопередачи. То количество теплоты, которое будет переноситься через любую изотермическую поверхность, называют тепловым потоком.

Под его плотностью подразумевают отношение к единице площади самой изотермической поверхности. Эти величины являются векторами, противоположными по направлению.

Конвекция

Конвекция — это процесс теплопередачи, осуществляемый путем переноса энергии потоками жидкости или газа.Пример явления конвекции: небольшая бумажная вертушка, поставленная над пламенем свечи или электрической лампочкой, под действием поднимающегося нагретого воздуха начинает вращаться. Это явление можно объяснить таким образом. Воздух, соприкасаясь с теплой лампой, нагревается, расширяется и становится менее плотным, чем окружающий его холодный воздух. Сила Архимеда, действующая на теплый воздух со стороны холодного снизу вверх, больше, чем сила тяжести, которая действует на теплый воздух. В результате нагретый воздух «всплывает», поднимается вверх, а его место занимает холодный воздух.При конвекции энергия переносится самими струями газа или жидкости.Различают два вида конвекции:

естественная (или свободная)

Для того, чтобы в жидкостях и газах происходила конвекция, необходимо их нагревать снизу.Конвекция в твердых телах происходить не может.

2.2.4 Оптическая толща. Связь с длиной свободного пробега

Введем безразмерную характеристику вдоль луча распространения
света — оптическую толщину среды:

(2.18)
(2.19)

Если , то реализуется
оптически толстый случай (среда непрозрачна
для излучения);
если — оптически тонкий случай (среда прозрачна для
излучения).

Важность понятия оптической толщи вытекает из ее связи
с длиной свободного пробега фотона. Рассмотрим
однородную среду без излучения

Уравнение переноса можно переписать
в виде

, т.е. вероятность фотону пройти длину,
соответствующую ,
есть , при этом средняя оптическая толща

(2.20)

Средняя длина свободного пробега фотона
определяется из условия
,

(2.21)

2.2.2 Коэффициент поглощения

При прохождении пути в поглощающей среде часть фотонов
выбывает из пучка (поглощается), и таким образом
феноменологически можно записать
,
где
— коэффициент поглощения,
зависящий от физических параметров среды. Интенсивность пучка
уменьшается после прохождения расстояния от точки до
точки по экспоненциальному закону

(2.14)

Иногда вводят коэффициент поглощения на грамм
пройденного вещества,
. В этом случае
коэффициент см/г называется
коэффициентом непрозрачности.
Физический смысл коэффициента непрозрачности прост.
Отнесенный к одному атому, этот коэффициент зависит только от
свойств самого атома. Эта величина

( — плотность числа частиц)
имеет размерность см и носит название эффективного сечения
поглощения
. Пусть параллельный пучок света с частотой с
сечением 1 см проходит через поглощающий газ. Поглощение можно
представить себе так, будто каждый атом заменен неким малым непрозрачным
диском, перпендикулярным к направлению пучка, попадая в который квант
застревает (поглощается). Если площадь каждого диска ,
а концентрация в куб. см, то полная площадь всех дисков
в слое газа с площадью 1 см и толщиной равна
.
отсюда непосредственно получаем
.

ЗАМЕЧАНИЕ: коэффициент поглощения может быть как положительным
(истинное поглощение), так и отрицательным, т.к. в элементарных
процессах испускания и поглощения света атомами всегда есть вынужденное
(индуцированное) излучение, пропорциональное, как и поглощение, падающей
интенсивности.
Хорошо известный пример из оптики — квантовый генератор излучения
(лазер). В космических условиях также возможно образование инверсной
заселенности уровней (комические мазеры). Мы обсудим этот вопрос
подробне в лекции, посвященной межзвездной среде.

Рентгеновские фильтры.

При исследовании материалов с помощью рентгеновского излучения интерпретация результатов усложняется из-за наличия нескольких длин волн. Для выделения отдельных длин волн применяют рентгеновские фильтры, изготовленные из веществ с различным коэффициентом поглощения для различных длин волн, при этом используется тот факт, что рост длины волны излучения сопровождается увеличением коэффициента поглощения. Например, для алюминия коэффициент поглощения рентгеновского излучения К-серии от железного анода (l = 1,932 А), больше, чем для излучения К-серии от молибденового анода (l = 0,708 А) и при толщине алюминиевого фильтра 0,1 мм ослабление излучения от железного анода в 10 раз больше, чем для излучения молибдена.

Наличие скачка поглощения на кривой зависимости коэффициента поглощения от длины волны дает возможность получить селективно- поглощающие фильтры, если длина волны фильтруемого излучения, лежит непосредственно за скачком поглощения. Этот эффект используется для того, чтобы отфильтровать b-составляющую К-серии излучения, которая по интенсивности в 5 раз слабее a-составляющей. Если подобрать соответствующий материал фильтра так, чтобы a и b-составляющие были по разные стороны скачка поглощения, то интенсивность b-составляющей уменьшается еще в несколько раз. Примером может служить задача о фильтрации b-излучения меди, в которой длина волны a-излучения К-серии составляет 1,539, а b-излучения 1,389 А. В то же время на кривой зависимости коэффициента поглощения от длины волны скачок поглощения соответствует длине волны 1,480 А, т.е. находится между длинами волн a и b-излучений меди, в районе скачка поглощения коэффициент поглощения увеличивается в 8 раз, поэтому интенсивность b-излучения оказывается меньше интенсивности a-излучения в десятки раз.

При взаимодействии рентгеновского излучения с твердым телом могут возникать радиационные повреждения структуры, связанные с перемещением атомов. В ионных кристаллах возникают центры окраски, аналогичные явления наблюдаются в стеклах, в полимерах меняются механические свойства. Эти эффекты связаны с выбиванием атомов из равновесных положений в кристаллической решетке. В результате образуются вакансии отсутствие атомов в равновесных положениях в кристаллической решетке и внедренные атомы, находящиеся в равновесном положении в решетке. Эффект окрашивания кристаллов и стекла под действием рентгеновского излучения является обратимым и в большинстве случаев исчезает при нагреве или длительной выдержке. Изменение механических свойств полимеров при рентгеновском облучении связано с разрывом межатомных связей.

Основным направлением изучения взаимодействия рентгеновского излучения с твердым телом является рентгеноструктурный анализ, с помощью которого исследуют расположение атомов в твердом теле и его изменения при внешних воздействиях.

Лев Миркин

Заключение

Теплопроводность является процессом передачи внутренней энергии от нагретых участков тела к его холодным частям. Подобный процесс осуществляется с помощью беспорядочно движущихся атомов, молекул, электронов. Такой процесс может происходить в телах, которые имеют неоднородное распределение значений температур, но будет отличаться в зависимости от агрегатного состояния рассматриваемого вещества.

Можно рассматривать данную величину в качестве количественной характеристики способности тела к провождению тепла. Удельной теплопроводностью называют количество тепла, которое может проходить через материал, имеющий толщину 1м, площадь 1 м²/сек.

Долгое время считали, что существует взаимосвязь между передачей тепловой энергии и перетеканием от тела к телу теплорода. Но после проведения многочисленных экспериментов была выявлена зависимость подобных процессов от температуры.

В реальности при проведении математических расчетов, касающихся определения количества теплоты, передаваемой разными способами, учитывают проводимость путем конвекции, а также проникающее излучение. Коэффициент теплопередачи связан со скоростью передвижения жидкости, характером движения, его природой, а также с физическими параметрами движущейся среды.

В качестве носителей лучистой энергии выступают электромагнитные колебания, имеющие разную длину волн. Излучать их могут любые тела, температура которых превышает нулевое значение.

Излучение является результатом процессов, происходящих внутри тела. При попадании его на другие тела наблюдается частичное ее поглощение и частичное поглощение телом.

Закон Планка определяет зависимость плотности поверхностного потока излучения черного тела от абсолютной температуры и длины волны.

Простейшие виды теплообмена, которые были рассмотрены выше, не существуют по отдельности, они взаимосвязаны друг с другом. Сочетание их является сложным теплообменом, который предполагает серьезное изучение и детальное рассмотрение.

В теплотехнических расчетах используют суммарный коэффициент передачи тепла, который представляет собой совокупность коэффициентов теплоотдачи соприкосновением, которое учитывает теплопроводность, конвекцию, излучение.

При правильном подходе и учете отдельных тепловых явлений можно с высокой достоверностью рассчитать количество теплоты, переданное телу.

Ссылка на основную публикацию