Transfer de căldură

Versiunea actuală a paginii nu a fost încă examinată de colaboratori experimentați și poate diferi semnificativ de versiunea revizuită la 8 septembrie 2022; verificarea necesită 1 editare .

Transferul de căldură este procesul fizic de transfer de energie termică de la un corp mai fierbinte la unul mai puțin fierbinte, fie direct (la contact), fie printr-un intermediar (conductor) sau printr-o partiție de separare (corp sau mediu) de orice material. Când corpurile fizice ale unui sistem sunt la temperaturi diferite , atunci are loc un transfer de energie termică sau un transfer de căldură de la un corp la altul până la atingerea echilibrului termodinamic . Transferul spontan de căldură are loc întotdeauna de la un corp mai fierbinte la unul mai puțin fierbinte, ceea ce este o consecință a celei de-a doua legi a termodinamicii .

Tipuri de transfer de căldură

În total, există trei mecanisme simple (elementare) de transfer de căldură:

Există, de asemenea, diferite tipuri de transfer de căldură, care sunt o combinație de tipuri elementare. Principalele sunt:

transfer de căldură (transfer de căldură convectiv între fluxurile de lichid sau gaz și suprafața unui corp solid),
transfer de căldură (transfer de căldură de la un mediu fierbinte [lichid, gaz sau solid] la unul rece printr-un perete care le separa),
transfer de căldură convectiv-radiant (transfer comun de căldură prin radiație și convecție),
convecție termomagnetică .

Sursele interne de căldură este un concept al teoriei transferului de căldură, care descrie procesul de producere (mai rar absorbție) a energiei termice în interiorul corpurilor materiale fără nicio alimentare sau transfer de energie termică din exterior. Sursele interne de căldură includ:

generarea de căldură în timpul funcționării curentului electric ,
degajare de căldură în reacții nucleare,
degajare de căldură în reacții chimice.

Advecția

Advecția are loc prin transferul de materie și energie, inclusiv căldură, prin mutarea unui volum cald sau rece dintr-un loc în altul prin transferul fizic. [1] Exemplele includ umplerea unei sticle cu apă fierbinte și mutarea unui aisberg prin curenții oceanici. Un exemplu practic este termohidraulica, care poate fi descrisă printr-o formulă simplă:

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

Unde

$\phi _{q)$ flux de căldură (W / m 2 ),
$\rho$ densitatea substanței (kg / m 3 ),
$c_p$ - capacitate termică la presiune constantă (J/kg K),
$\Delta T$ - diferenta de temperatura (K),
$v$ viteza (m/s).

Conductivitate termică

La scară microscopică, conducția termică are loc atunci când atomii și moleculele fierbinți, care se mișcă rapid sau care vibrează interacționează cu atomii și moleculele învecinate, transferând o parte din energia lor cinetică acestor particule. Cu alte cuvinte, căldura este transferată prin conducție atunci când atomii învecinați se mișcă unul față de celălalt sau când electronii se deplasează de la un atom la altul. Conducția termică pare a fi cel mai important mijloc de transfer de căldură în interiorul unui solid sau între obiecte solide aflate în contact termic . Lichidele, în special gazele, au o conductivitate termică mai mică. Conductivitatea termică de contact este studiul conductivității termice între solidele în contact. [2] Procesul de transfer de căldură de la un volum la altul fără mișcare macroscopică a particulelor se numește conductivitate termică. De exemplu, când puneți mâna pe un pahar cu apă rece, căldura este transferată de la pielea caldă la sticlă rece, dar dacă mâna este la câțiva centimetri distanță de sticlă, atunci conductivitatea termică va fi neglijabilă, deoarece aerul nu conduce bine căldura. Conductivitatea termică staționară este un model idealizat de conductivitate termică care apare la o diferență de temperatură constantă, adică atunci când distribuția spațială a temperaturilor care apare după un anumit timp într-un obiect conducător de căldură nu se modifică (vezi legea Fourier ). [3] În starea constantă de conducere a căldurii, cantitatea de căldură care intră în corp este egală cu cantitatea de căldură care iese, deoarece, în acest mod, modificarea temperaturii (o măsură a energiei termice) este zero. Un exemplu de conducere staționară a căldurii este fluxul de căldură prin pereții unei case calde într-o zi rece - o temperatură ridicată este menținută în interiorul casei, iar temperatura exterioară rămâne scăzută, astfel încât transferul de căldură pe unitatea de timp rămâne constant, determinat prin izolarea termică a peretelui matas hebra, iar distribuția spațială a temperaturii în pereți va fi aproximativ constantă în timp.

Conducția nestaționară a căldurii este descrisă de ecuația căldurii și are loc atunci când temperatura din interiorul unui obiect se modifică în funcție de timp. Analiza sistemelor nestaționare este mai complicată, iar soluțiile analitice ale ecuației căldurii se obțin doar pentru sistemele model idealizate. În aplicațiile practice se folosesc de obicei metode numerice, metode de aproximare sau studii empirice. [2]

Convecție

Transferul de căldură convectiv, sau pur și simplu convecția , este procesul de transfer de căldură de la un volum la altul datorită mișcării lichidelor și gazelor, un proces care este în esență transfer de căldură prin transfer de masă .

Mișcarea unei mase fluide îmbunătățește transferul de căldură în multe situații fizice, cum ar fi transferul de căldură între o suprafață solidă și un fluid. [patru]

Convecția domină de obicei procesul de transfer de căldură în lichide și gaze. Deși uneori este menționată ca a treia metodă de transfer de căldură, convecția este folosită în mod obișnuit pentru a descrie efectele combinate ale conducției căldurii într-un fluid ( difuzie ) și transferul de căldură prin fluxul de fluid în vrac. [5]

Procesul de transfer de căldură cu flux de fluid este cunoscut sub numele de advecție, dar advecția pură este un termen asociat de obicei numai cu transferul de masă într-un fluid, cum ar fi advecția pietricelelor într-un râu. În cazul transferului de căldură într-un lichid, transportul advecțional într-un lichid este întotdeauna însoțit de transfer de căldură prin difuzie (cunoscut și sub numele de conducție termică), procesul de convecție este înțeles ca suma transferului de căldură prin advecție și difuzie/conducție.

Convecția liberă sau naturală apare atunci când mișcările volumetrice ale unui fluid (curgeri și curenți) sunt cauzate de forțele de flotabilitate care rezultă din modificările densității dependente de temperatură a fluidului. Convecția forțată apare atunci când fluxurile într-un lichid sunt induse de mijloace externe, cum ar fi ventilatoare, agitatoare și pompe. [6]

Radiația termică

Radiația termică este transmisă prin vid sau prin orice mediu transparent ( solid, lichid sau gazos ). Un astfel de transfer de energie cu ajutorul fotonilor undelor electromagnetice, supuse acelorași legi. [7]

Radiația termică este energia emisă de materie sub formă de unde electromagnetice datorită prezenței energiei termice în toată materia la o temperatură peste zero absolut . Radiația termică se propagă fără materie în vid . [opt]

Radiația termică există datorită mișcărilor aleatorii ale atomilor și moleculelor din materie. Deoarece acești atomi și molecule sunt formați din particule încărcate ( protoni și electroni ), mișcarea lor are ca rezultat emisia de radiații electromagnetice , care transportă energia de la suprafață.

Ecuația lui Stefan-Boltzmann , care descrie viteza de transfer a energiei radiante, pentru un obiect în vid, se scrie după cum urmează:

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

Pentru transferul de radiații între două corpuri, ecuația este următoarea:

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

Unde

$\phi _{q)$ flux de caldura,
$\epsilon$ - emisivitate (egal cu unu pentru un corp complet negru ),
$\sigma$ este constanta Stefan-Boltzmann ,
$F$ coeficientul de vizibilitate între două suprafețe a și b, [9] și
$T_{a}$ și sunt temperaturile absolute (în kelvin sau grade Rankine) pentru cele două obiecte. $T_{b)$

Radiația este de obicei importantă doar pentru obiectele foarte fierbinți sau pentru obiectele cu diferențe mari de temperatură sau pentru corpurile în vid.

Radiația de la soare sau radiația solară poate fi folosită pentru a genera căldură și energie. [10] Spre deosebire de conducția căldurii și formele convective de transfer de căldură, radiația de căldură care ajunge la un unghi îngust, adică de la o sursă mult mai mică decât distanța până la aceasta, poate fi concentrată într-un loc mic, folosind oglinzi reflectorizante care sunt folosite pentru concentrați energia solară sau o lentilă care arde. [11] De exemplu, lumina soarelui reflectată de oglinzi este utilizată în centrala solară PS10, care poate încălzi apa până la 285 °C (545 °F) în timpul zilei .

Temperatura atinsă la țintă este limitată de temperatura sursei de radiație fierbinte. ( Legea T 4 permite fluxul invers de radiație pentru a încălzi sursa). Soarele fierbinte (pe suprafața sa are o temperatură de aproximativ 4000 K) permite atingerea de aproximativ 3000 K (sau 3000 °C) pe o sondă mică, aflată în focarul unei oglinzi mari concentratoare concave din cuptorul solar Mont-Louis din Franța. [12]

Coeficientul de transfer termic

Coeficientul de transfer de căldură arată câtă căldură trece pe unitatea de timp de la un lichid de răcire mai încălzit la unul mai puțin încălzit prin 1 m 2 din suprafața de schimb de căldură la o diferență de temperatură între lichidele de răcire de 1 K. De obicei este exprimat în W / (m 2 ·K), cărțile de referință pot oferi și cantitatea de debit într-o oră. În construcții , valoarea reciprocă a devenit larg răspândită - „coeficientul de rezistență termică”.

Ecuația de bază a transferului de căldură

Ecuația de bază a transferului de căldură: cantitatea de căldură transferată de la un corp mai încălzit la unul mai puțin încălzit este proporțională cu suprafața de transfer de căldură, diferența medie de temperatură și timpul:

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

Unde

K este coeficientul de transfer de căldură de-a lungul suprafeței de schimb de căldură, F este suprafața de schimb de căldură, Δ t cf - diferența medie de temperatură logaritmică (diferența medie de temperatură între purtătorii de căldură), τ este timpul.

Note

↑ Transfer în masă . Termo-FluidePedia . Centrala de fluide termice. Preluat la 9 martie 2021. Arhivat din original la 12 aprilie 2021. (nedefinit)
↑ 1 2 Abbott, JM Introducere în termodinamica ingineriei chimice / JM Abbott, HC Smith, MM Van Ness. — al 7-lea. - Boston, Montreal: McGraw-Hill, 2005. - ISBN 0-07-310445-0 .
↑ Conducerea căldurii . Termo-FluidePedia . Centrala de fluide termice. Preluat la 9 martie 2021. Arhivat din original la 12 aprilie 2021. (nedefinit)
↑ Zengel, Yunus. Transferul de căldură: o abordare practică . — al 2-lea. - Boston : McGraw-Hill, 2003. - ISBN 978-0-07-245893-0 . Arhivat pe 26 mai 2021 la Wayback Machine
↑ Transferul convectiv de căldură . Termo-FluidePedia . Centrala de fluide termice. Preluat la 9 martie 2021. Arhivat din original la 31 octombrie 2018. (nedefinit)
↑ Convecție - Transfer de căldură . Inginerii Edge. Consultat la 20 aprilie 2009. Arhivat din original la 18 noiembrie 2018. (nedefinit)
↑ Procese de transport și principii de separare. — Prentice Hall. — ISBN 0-13-101367-X .
↑ Radiații . Termo-FluidePedia . Centrala de fluide termice. Preluat la 9 martie 2021. Arhivat din original la 14 martie 2021. (nedefinit)
↑ Transferul de căldură prin radiații termice. — Taylor și Francis.
↑ Mojiri, A (2013). „Diviziunea spectrală a fasciculului pentru conversia eficientă a energiei solare — O revizuire.” Evaluări privind energia regenerabilă și durabilă . 28 : 654-663. DOI : 10.1016/j.rser.2013.08.026 .
↑ Taylor, Robert A. (martie 2011). „Aplicabilitatea nanofluidelor în colectoarele solare cu flux mare” . Jurnalul de energie regenerabilă și durabilă . 3 (2): 023104. doi : 10.1063 /1.3571565 . Arhivat din original pe 19.04.2021 . Extras 2021-03-09 . Parametrul depreciat folosit |deadlink=( ajutor )
↑ Megan Crouse: This Gigantic Solar Furnace Can Melt Steel Arhivat 25 iulie 2019 pe Wayback Machine manufacturing.net, 28 iulie 2016, preluat la 14 aprilie 2019.

Literatură

Grigoriev B. A., Tsvetkov F. F. Transfer de căldură și masă: Proc. indemnizație - ed. a II-a. - M: MPEI, 2005.
Isachenko V.P. și colab. Transferul de căldură: un manual pentru universități. Ed. a 3-a, revizuită. si suplimentare - M .: Energie, 1975.
Galin N. M., Kirillov P. L. Transfer de căldură și masă. — M.: Energoatomizdat, 1987.
Kartashov EM Metode analitice în conductivitatea termică a solidelor. - M .: Mai sus. scoala, 1989.
Krupnov B. A., Sharafadinov N. S. Linii directoare pentru proiectarea sistemelor de încălzire, ventilație și aer condiționat. 2008
Kotlyar Ya. M., Perfection VD, Strizhenov DS Metode și probleme de transfer de căldură și masă. - M .: Mashinostroenie, 1987. - 320 p.
Lykov AV, Mikhailov Yu. A. Teoria transferului de energie și substanță. - Minsk, Academia de Științe a BSSR, 1959. - 330 p.