Теплопередача что это: Теплопередача — это… Что такое Теплопередача?

Теплопередача — урок. Физика, 8 класс.

В природе существует три вида теплопередачи:
1) теплопроводность;
2) конвекция;
3) излучение.

Теплопроводность

Теплопроводность — переход теплоты с одного тела на другое при их соприкосновении или с более тёплой части тела на холодную.

Различные вещества имеют разную теплопроводность. Большую теплопроводность имеют все металлы. Малую теплопроводность имеют газы, вакуум не имеет теплопроводности (в вакууме нет частиц, которые бы обеспечивали теплопроводность).

Вещества, которые плохо проводят теплоту, называют теплоизоляторами.

Искусственно созданными теплоизоляторами являются каменная вата, пенопласт, поролон, металлокерамика (используется в производстве космических кораблей).

Конвекция

Распространение тепла перемещающимися струями газа или жидкости называется конвекцией.

При конвекции тепло переносит само вещество. Конвекция наблюдается только в жидкостях и газах.

Тепловое излучение

Распространение тепла от тёплого тела при помощи инфракрасных лучей называют тепловым излучением.

Тепловое излучение — единственный вид теплопередачи, который может осуществляться в вакууме. Чем выше температура, тем сильнее тепловое излучение. Тепловое излучение производят, например, люди, животные, Земля, Солнце, печь, костёр. Инфракрасное излучение можно изображать или измерять термографом (термокамерой).
  

Физика 8 класс. Теплопередача. Виды теплопередачи. Теплопроводность :: Класс!ная физика

Физика 8 класс. ТЕПЛОПЕРЕДАЧА

(или теплообмен)

— один из способов изменения внутренней энергии тела (или системы тел), при этом внутренняя энергия одного тела переходит во внутреннюю энергию другого тела без совершения механической работы.

Существует 3 вида теплопередачи:

Теплообмен между двумя средами происходит через разделяющую их твердую стенку или через поверхность раздела между ними.
Теплота способна переходить только от тела с более высокой температурой к телу менее нагретому.

Теплообмен всегда протекает так, что убыль внутренней энергии одних тел всегда сопровождается таким же приращением внутренней энергии других тел, участвующих в теплообмене.
Это является частным случаем закона сохранения энергии.

ИНТЕРЕСНО

Куропатки, утки и другие птицы зимой не мерзнут потому, что температура лап у них может отличаться от температуры тела более чем на 30 градусов.
Низкая температура лап сильно понижает теплоотдачу. Таковы защитные силы организма!
|

— перенос энергии от более нагретых участков тела к менее нагретым за счет теплового движения и взаимодействия микрочастиц (атомов, молекул, ионов и т.п.), который приводит к выравниванию температуры

тела.
Не сопровождается переносом вещества!

Этот вид передачи внутренней энергии характерен как для твердых веществ, так и для жидкостей и газов.
Теплопроводность различных веществ разная.

Металлы обладают самой высокой теплопроводностью,

причем у разных металлов теплопроводность отличается.

Жидкости обладают меньшей теплопроводностью, чем твердые тела, а газы меньшей, чем жидкости.

При нагревании верхнего конца закрытой пальцем пробирки с воздухом внутри можно не бояться обжечь палец, т.к. теплопроводность газов очень низкая.

Интересно, что можно было бы поднести руку почти вплотную к пламени, например, газовой горелки (температура больше 1000 градусов) и не обжечь ее, если бы …

А что если бы?

Газ, как правило, очень плохой проводник тепла, поэтому достаточно было бы лишь небольшой прослойки воздуха между рукой и пламенем. Но!
Но существует такое явление, как конвекция в газах, поэтому вблизи пламени руку сильно жжет.

Устали? — Отдыхаем!

Теплопередача: физика процесса и решение задачи методом конечных элементов

Я недавно осознал, что не написал ещё ни одной статьи о теплообмене и тепловых расчётах для своего блога. А ведь это такая увлекательная тема! Если вы ещё не занимались расчётами теплопередачи и даже не думали об этом, вы очень много потеряли!

Вот путь, по которому я предлагаю вам пройти в этой статье:

Сначала я расскажу, что такое температура, и откуда она берётся, затем я опишу три различных типа теплопередачи, которые существуют в природе, и, наконец, я расскажу, как выполняются тепловые расчёты с помощью метода конечных элементов (МКЭ).

Как вам такой план? 😉

Если он вас заинтересовал, то давайте приступим!

Что представляет собой температура?

Понятие температуры кажется настолько очевидным, что мы обычно даже не задумываемся об её происхождении. Ну что, заинтригованы? 😉

Так какова же природа этого явления?

Чтобы ответить на этот вопрос, нам придётся погрузиться в «Ангстремоскопический» мир (Что? Такого слова не существует? Да – я только что его выдумал).

Давайте внимательно рассмотрим структуру и агрегатные состояния воды.

Как (почти) всем известно, вода состоит из молекул h3O.

Если молекулы упорядочены в кристаллической решётке, они образуют твёрдое тело. В случае воды они образуют лёд.
В зависимости от агрегатного состояния эти молекулы могут приближаться или удаляться друг от друга… А ещё они могут колебаться. Температура как раз и описывает такие колебания. При очень слабых колебаниях молекулы становятся неподвижными, сохраняя малое расстояние между собой. Температура тогда очень низкая.

Вместе с увеличением колебаний появляется и возможность для перемещения молекул, и вода переходит в жидкое состояние.

Когда колебания увеличиваются ещё больше, молекулы начинают удаляться друг от друга, и вода переходит в газообразное состояние.

Температура – это просто название для интенсивности колебаний молекул.

На этом этапе мы уже достаточно близки к тому, чтобы покинуть мир классической ньютоновской механики, описывающей интуитивно понятные и осязаемые законы движения тел в пространстве, и перейти в «ангстремоскопический» мир, где заправляют совсем другие законы, которые с первого взгляда могут быть совершенно не очевидны. Да-да, речь идёт о квантовой механике 😉 , но давайте всё же попробуем обойтись простыми понятиями, не залезая в дебри.

Что же приводит к повышению температуры?

Конечно же, энергия! Когда молекулы получают энергию, они начинают колебаться сильнее, и температура повышается.

Тут можно провести такую аналогию: во время еды клетки вашего тела получают энергию, поэтому оно начинает вырабатывать тепло и нагревается. А когда вы голодны, температура вашего тела снижается.

Теперь вы понимаете, что такое температура!

Как распространяется тепло?

На концептуальном уровне теплопередача – это просто название для процесса передачи колебаний между молекулами.

Когда неподвижные «холодные» молекулы входят в контакт с колеблющимися «горячими» молекулами, между ними происходит передача энергии.

Проще говоря, неподвижная молекула начнёт испытывать небольшие колебания, а колеблющиеся молекулы начнут замедляться.

Но если любую теплопередачу можно описать таким образом, откуда берутся все эти разные способы передачи тепла? Хороший вопрос ;-).

Всё дело в том, что способ теплопередачи зависит от агрегатного состояния среды, которой принадлежат эти молекулы. Некоторые молекулы образуют жидкость, в то время как другие являются частью твёрдого тела или газа.

Учёные вывели определённые законы на основании наблюдений за процессом теплообмена между твёрдыми телами, жидкостями и газом.

Как выполнить количественную оценку теплопередачи?

Теперь, когда у нас есть определение температуры, мы знаем, как количественно определить колебания молекул в определённой точке.

Кстати, температура, при которой колебания молекул полностью отсутствуют, называется абсолютным нулём температуры по шкале Кельвина.

T = 0 K

Для преобразования температуры в Кельвинах в градусы Цельсия используется следующая формула: T(K) = T (°C) + 273,15K

Но для оценки теплопередачи важна не абсолютная величина температуры, а различие в температурах между телами или точками одного тела. Какая же величина позволяет нам количественно характеризовать это различие?

Что ж, для этого нам просто нужно рассмотреть две точки в пространстве (1 и 2) и найти в них температуру. Температурный градиент, как видно из названия, представляет собой разницу между значениями температуры в этих двух точках, делённую на расстояние между ними. Если это расстояние бесконечно мало, то мы имеем дело с производной.

Как же применить все эти знания в инженерных расчётах, чтобы предсказать скорость теплопередачи в различных материалах и средах?

Давайте теперь рассмотрим 3 основных способа теплопередачи.

Передача тепла в твёрдых телах – теплопроводность

Изучая тепловые потоки в различных материалах, французский учёный Ж.Б. Фурье заметил нечто странное… У разных типов металлов наблюдается похожий механизм передачи тепла. Разница заключается лишь в скорости теплопередачи, которая у одних металлов выше, чем у других.

Затем он открыл очень важный и фундаментальный закон теплопередачи, который получил название «закон Фурье» – как неожиданно! 😉

Этот закон гласит, что плотность теплового потока в твёрдых телах пропорциональна температурному градиенту. Коэффициент пропорциональности K называется коэффициентом теплопроводности, и чем он выше, тем быстрее распространяется тепло. Именно поэтому металлы с высоким коэффициентом теплопроводности очень быстро теряют тепло, в то время как изолирующие материалы с очень низким значением K не очень охотно пропускают его через себя.

Этот закон является фундаментальной основой первого способа теплопередачи, который называется «теплопроводность».

Таким образом, чтобы описать процесс теплопередачи внутри твёрдого тела, достаточно взять значение коэффициента K для рассматриваемого материала из справочных таблиц.

Теплообмен между твёрдым телом и жидкой или газообразной средой – конвекция

Чтобы понять, как выполнить расчёт такого процесса, рассмотрим следующую задачу.

Во-первых, предположим, что у нас есть стена с температурой Tw, которая контактирует с воздухом при температуре Ta. Очевидно, что если температура воздуха неравномерна, задача существенно усложняется. Поэтому для упрощения расчёта мы предполагаем, что температура воздуха равномерна и равна Ta. Эту температуру принято называть «температурой окружающей среды».

На этот раз выдающийся британский физик Ньютон – да-да, тот самый всем известный Исаак Ньютон 😉 – открыл закон, который получил название «закон охлаждения Ньютона» (он же – «закон Ньютона-Рихмана»):

Ньютон установил, что скорость охлаждения тела пропорциональна разнице температур между этим телом и окружающей средой.

Это, по сути, означает, что если стена более горячая, чем воздух, она будет охлаждаться до тех пор, пока не достигнет температуры окружающей среды. Тогда разница в температуре станет нулевой, и потери тепла больше не будет.

Ньютон установил также и коэффициент пропорциональности h, который зависит от характеристик окружающей среды.

Этот вид теплообмена называется «естественной конвекцией», а коэффициент h – коэффициентом теплоотдачи.

Как видите, скорость охлаждения тела зависит также от площади поверхности A стены. Поэтому при выполнении расчёта теплопередачи в МКЭ-программе необходимо задать площадь поверхности тела, через которую передаётся тепло.

В чём разница между естественной и вынужденной конвекцией?

В зависимости от порождающих причин, конвекция бывает естественной и вынужденной. Конвекция называется естественной, когда она возникает самопроизвольно без ускорения охлаждения при помощи специального устройства, такого как вентилятор. В противном случае конвекция является вынужденной.

Основное различие заключается в том, что коэффициент теплоотдачи h принимает значительно более высокие значения при вынужденной конвекции.

Теплопередача посредством электромагнитных волн – тепловое излучение

Ну что ж, давайте теперь рассмотрим третий вид теплопередачи – тепловое излучение.

Как вы знаете, для описания физических процессов и явлений в природе используется два понятия – «частицы» и «волны». Кстати, убеждение о принципиальном различии и полном разделении этих двух понятий вызвало немало дискуссий и споров в своё время. Ведь фотоны, например, могут проявлять как свойства волн, так и свойства частиц… Но это я что-то сильно отклоняюсь от основной темы 🙂 (однако и эта тема столь увлекательна, что надо бы как-то, пожалуй, взяться за отдельную книгу).

Итак, энергия, которая исходит от далёкого источника, такого как Солнце, и распространяется фотонами света, передаётся посредством электромагнитных волн.

Электромагнитные волны – это распространяющееся в пространстве возмущение электромагнитного поля, которое представляет собой совокупность электрического и магнитного полей. Связь между ними описывается элегантными уравнениями Максвелла (я большой поклонник этих уравнений, поэтому, думаю, я напишу как-нибудь статью и о них).

Для нас пока важен только тот факт, что электрическое и магнитное поля способны накапливать и передавать энергию.

Когда электромагнитная волна находится в вакууме, потери энергии не происходит. Когда же она попадает в такую среду, как воздух или вода, происходит потеря энергии и передача этой энергии в форме тепла.

Именно поэтому электромагнитные волны, которые преодолевают расстояние в 149 миллиардов 597 миллионов 870 тысяч 700 метров, всё ещё могут согревать нас на протяжении всего дня.

Такой способ теплопередачи называется «тепловым излучением».

Тут я не буду сильно углубляться в детали, поскольку этот процесс значительно более сложный, чем теплопроводность и конвекция.

Закон Стефана-Больцмана для теплового излучения

Следует отметить ещё один важный закон – закон Стефана-Больцмана, который определяет зависимость плотности мощности излучения абсолютно чёрного тела от его температуры.

Математически этот закон выражается в следующей форме:

где j* – общая энергия теплового излучения на единицу площади излучающей поверхности абсолютно чёрного тела за единицу времени. Больше информации на эту тему вы можете найти в статье Википедии.

Обратите внимание, что температура в этом уравнении возведена в четвёртую степень. Таким образом, МКЭ-задача теплопередачи, которая рассматривает тепловое излучение, является нелинейной.

Пример выполнения расчёта теплопередачи методом конечных элементов

Ну наконец-то мы перешли к практике. Я же обещал в начале статьи, что в этот раз приведу пример решения задачи. Пример этот будет очень простым. Я вычислю распространение температуры (теплопроводность) в простой пластине, представленной на рисунке ниже:

В данном случае мы рассмотрим стационарную теплопередачу, нестационарную мы пока изучать не будем. Если вы не знаете, в чём заключается разница между ними, прочтите мою старую статью (на английском языке).

Для выполнения этого простого расчёта я буду впервые в этом блоге использовать программное обспечение Ansys, поскольку только что обнаружил, что студенты могут бесплатно скачать его на соответствующей странице сайта Ansys: Ansys Free Student Software Downloads.

Процесс выполнения расчёта представлен на этом видео:

Ну что ж, на сегодня это всё.

//////////////////////////////////////////////////////////////////

Я очень хочу помочь инженерам (и студентам), которые только начинают решать задачи методом конечных элементов, лучше и быстрее разобраться в его основах.

Я не скрываю, что написание этих статей занимает немало времени и усилий, так что…

Если вам понравилась эта статья, вот как вы мне можете помочь:

1. Поделитесь этой статьёй на Linkedin, facebook, twitter или на своём форуме, чтобы ещё больше людей разобрались в основах процесса теплопередачи.
2. Напишите в комментариях к исходной статье, что вы узнали из неё, что ещё хотели бы узнать, и какие вопросы у вас остались. Это даст мне идеи для написания новых статей.
3. Подпишитесь на email рассылку, чтобы первыми получать мои новые статьи (и не только)!
   Благодарю за внимание!

Источник: feaforall. com
Автор: Cyprien Rusu

Компания Софт Инжиниринг Групп, официальный дистрибьютор Ansys Inc. в Украине, рекомендует активно поддерживать обратную связь – это поможет нам лучше подготавливать материалы в будущем. Оставляйте свои комментарии, вопросы и предложения под статьей посредством E-mail: [email protected], социальной сети Facebook https://www.facebook.com/softenukraine Регистрируйтесь на вебинары https://www.webinar.soften.com.ua, которые наша команда инженеров проводит на постоянной и бесплатной основе. Также информируем, что у вас есть возможность посмотреть ранее проводимые вебинары. Для этого необходимо зайти по ссылке на наш YouTube канал и выбрать плейлист (Ansys Вебинары/Обзоры).

ВОЗМОЖНО ЭТО ВАС ЗАИНТЕРЕСУЕТ:

Технология AirLoom, разработанная при помощи компьютерного моделирования, претендует на замещение традиционных ветряков

Проект AirLoom Energy, который призван стать альтернативой традиционным ветрякам, наглядно показывает, что революционные

Теплопередача — это, что такое, какие, определение, значение, доклад, реферат, конспект, сообщение, вики — WikiWhat

Содержание (план)

Теплопередача — это процесс передачи энергии в веществе.

Процесс передачи энергии очень сложен, но не требует­ся точного количественного расчёта — все оказывается доста­точно просто.

Сам процесс передачи тепла описывается достаточно слож­ным уравнением, которое так и называется — уравнением теплопроводности. В самой простой и общей форме оно имеет вид:

F = —DΔT / ΔL.

Смысл этого выражения понятен, если выразить его слова­ми: «Количество тепла, передаваемого через единичную пло­щадку в единицу времени (поток тепла), F пропорционально отношению ΔT / ΔL, т. е. скорости уменьшения температуры». Величина ΔT / ΔL называется градиентом температуры. Коэффициент пропорционально­сти D зависит от способа передачи тепла. Называется он коэффициентом теплопроводности.

Виды теплообмена (способы передачи тепла)

Всего в природе существует три способа передачи тепла.

Теплопроводность

Как известно, количество тепла — это всего лишь сумма кинетических энергий отдельных моле­кул, т. е. там, где температура выше, быстрых молекул боль­ше. Сталкиваясь с соседними, более быстрые молекулы пере­дают им свою энергию, и тепло передаётся в соседние, более холодные области. Теплопроводность эффективна в твёрдых телах, менее эффективна в жидко­стях и совершенно неэффективна в газах. Когда же в газах или жид­костях теплопроводность не обес­печивает достаточно быстрый отток тепла, градиент температуры рез­ко возрастает за счёт возрастания температуры в горячей области. В жидкости и газе начинается кон­вективное движение.

Конвекция

см. Конвекция Материал с сайта http://wikiwhat.ru

Тепловое излучение (лучистый перенос)

Основным способом переноса энер­гии в газе или плазме высокой температуры (4000 K и выше) является лучистый перенос, т. е. перенос энергии электромаг­нитным излучением. Процесс переноса излучением определя­ется уравнением теплопроводности, где коэффициент зависит главным образом от коэффициента поглощения, который, в свою очередь, определяется химическим составом, плотностью и температурой в данном месте. При этом коэффициент теп­лопроводности D в уравнении теплопроводности уменьшается с увеличением коэффициента поглощения.

Количество энергии, которое может быть передано лучис­тым переносом, небесконечно велико. Как только поток энер­гии увеличится или увеличится коэффициент поглощения, уве­личится и градиент температуры. Как только его значение пре­высит адиабатический градиент, появится конвекция.

Режимы теплопередачи | Музей энергетики

Передача тепла, которая определяется как передача энергии из одной области в другую в результате температурного градиента, происходит в следующих трех режимах:

1. Проводимост
2. Конвекция
3. Излучение

Передача тепла в большинстве реальных ситуаций происходит в результате сочетания этих режимов теплопередачи. Пример: вода в раковине котла  получает свое тепло от пламени путем проведенного, конвективного и излучаемого тепла от огня к корпусу, отводимого тепла через оболочку и  проводимого и конвективного тепла от внутренней стенки раковины до воды. Тепло всегда понижается в сторону более низкой температуры.

Вышеуказанные три режима аналогичны тем, что должен существовать температурный диристенс и теплообмен находится в направлении уменьшения температуры; однако каждый метод имеет разные законы контроля.

1. Проводимость

«Проводимость» — это передача тепла от одной части вещества к другой части того же вещества или от одного вещества к другому при физическом  контакте с ним без заметного смещения образующейся молекулы вещества.

В твердых телах тепло проводят по двум механизмам:

• Вибрацией решетки (движущиеся молекулы или атомы в самой горячей части тела передают тепло, передавая часть своей энергии соседним молекулам).
• При переносе свободных электронов (свободные электроны обеспечивают поток энергии в направлении уменьшения температуры).  

Для металлов, особенно хороших электрических проводников, электронный механизм отвечает за большую часть теплового потока,  за исключением низкой температуры).

В случае газов механизм теплопроводности прост. Кинетическая энергия молекулы зависит от температуры. Эти молекулы находятся в  непрерывном случайном движении, обменивающемся энергией и импульсом. Когда молекула из области высоких температур сталкивается с  молекулой из низкотемпературной области, она уносит энергию столкновениями.

В жидкостях механизм тепла ближе к газам. Однако молекулы более близко расположены, и вступают в действие межмолекулярные силы.

Закон теплопроводности Фурье:

Закон теплопроводности Фурье является эмпирическим законом, основанным на наблюдении и состоянии следующим образом:

«Скорость малой теплоты через простое однородное твердое тело прямо пропорционально площади сечения под прямым углом к направлению теплового
потока и изменению температуры по длине пути теплового потока».

Теплопроводность (свойство материала) в основном зависит от следующих факторов:

1. Структура материала
2. Содержание влаги
3. Плотность материала 
4. Давление и температура (рабочие условия)

2. Конвекция

«Конвекция» — это передача тепла внутри люи, путем смешивания одной части жидкости с другой.

• Конвекция возможна только в жидкой среде и непосредственно связана с транспортом самой среды.
• Конвекция представляет собой макрофор теплопередачи, поскольку макроскопические частицы движущейся в пространстве жидкости  вызывают теплообмен.
• Эффективность передачи тепла конвекцией во многом зависит от движения смеси жидкости.

Этот режим теплопередачи встречается в ситуациях, когда энергия передается в виде тепла в текучую среду на любой поверхности, через которую  протекает поток. Этот режим является в основном проводимостью в очень тонком слое жидкости на поверхности, а затем смешиванием,  вызванным потоком. Тепловой поток зависит от свойств жидкости и не зависит от свойств материала поверхности. Однако форма поверхности  будет влиять на низкую и, следовательно, теплопередачу.

Свободная или нормальная конвекция. Свободная или естественная конвекция происходит, когда жидкость циркулирует в силу естественных  различий в плотностях горячих и холодных жидкостей; более плотные части жидкости движутся вниз из-за большей силы тяжести по сравнению с  силой на менее плотной.

Принудительная конвекция. Когда выполняются работы по удалению или откачке жидкости, говорят, что это принудительная конвекция.

Уравнение скорости или конвективный теплообмен (независимо от конкретной природы) между поверхностью и смежной жидкостью предписывается  законом охлаждения Ньютона.

Q = hA (t a -t f )

Где Q = Коэффициент теплопроводности

A = площадь, подверженная теплопередаче

t s = температура поверхности,

t f = температура жидкости и

h = Коэффициент проводимости теплопередачи

3. Излучение

«Радиация» — это передача тепла через пространство или вещество с помощью иных средств, помимо проводимости или конвекции.

Радиационная теплота — это хотя и электромагнитные волны или кванты (как удобно), излучающие ту же природу, что и свет и радиоволны.  Все тела излучают тепло; поэтому происходит передача тепла от излучения, потому что горячее тело излучает больше тепла, чем получает, а  холодное тело получает больше тепла, чем излучает. Лучистая энергия (электромагнитное излучение) не требует среды для распространения и  пройдет через вакуум.

Заметка. Быстро осциллирующие молекулы горячего тела создают электромагнитные волны в гипотетической среде, называемой эфиром.  Эти волны идентичны световой волне, радиоволны переносят с собой энергию и переносят ее на относительно медленно движущиеся молекулы  холодного тела, на котором они падают. Молекулярная энергия более позднего возрастает и приводит к повышению ее температуры. Теплота,  излучаемая излучением, известна как лучистое тепло.

Свойства лучистого тепла в целом аналогичны свойствам света. Некоторые свойства:

я. Это не требует наличия материальной среды или ее передачи.

II. Лучистое тепло может отражаться от поверхностей и подчиняться обычным законам отражения.

III. Он движется со скоростью света.

Как свет, он показывает интерференцию, направление и поляризацию и т. д.

Урок-интервью. Физика. 8 класс. Теплопередача в природе и технике

 Презентацию подготовил Александр Кавтрев.

Тема урока: «Виды теплопередачи. Теплопередача в природе и технике».

При проведении данного урока используется технология «Перевернутый урок». То есть учитель предлагает ученикам в качестве подготовки к данному уроку самостоятельно познакомиться с темой «способы теплопередачи». Для этого учитель предоставляет учащимся ссылки на соответствующие электронные ресурсы (видео уроки или видео лекции) и/или на соответствующие параграфы учебника. Учитель также может записать и предоставить учащимся свой видеоурок на данную тему.

Полезные ссылки:

В результате самостоятельной домашней работы дети должны узнать, что существуют три вида теплопередачи (теплопроводность, конвекция, излучение) и понимать, чем они отличаются друг от друга.

Вы можете скачать презентацию и скачать пояснения к уроку.

Слайд 1

1. Введение: открытая задача 

Цель данного этапа урока – заинтриговать учеников темой урока, настроить на активную, творческую деятельность. Для этого учитель предлагает учащимся решить открытую задачу. 

Слайд 2

Ответ к открытой задаче. Ни в коем случае нельзя отрывать примерзший язык, так как при этом с его поверхности оторвется участок кожи, что может привести к сильному кровотечению. При возможности нужно поливать место контакта языка с металлом жидкостью (желательно теплой). Можно также попытаться растопить лед дыханием и теплом рук.

Примечание. Важно обсудить с детьми следующий вопрос: «Почему на морозе язык к металлическим предметам прилипает, а к деревянным – нет?». 

Это объясняется тем, что у металлов теплопроводность значительно выше, чем у дерева. При объяснении можно показать учащимся видеофрагмент (слайд 3), который демонстрирует теплопроводность металлов: медь, латунь, железо.

 2. Самостоятельная работа учащихся: составление вопросов к тексту

Примечания:

• На данном этапе урока необходимо раздать детям в распечатанном виде текст про устройство термоса. Этот текст можно напечатать из отдельного файла Устройство термоса.

• Если распечатать текст нет возможности, то можно показать текст на большом экране (слайд 4). А на слайде 5 показано устройство термоса.

• Затем учитель предлагает учащимся составить вопросы к данному тексту. 

Текст для составления вопросов:

Слайд 4

Слайд 5

Задание ученикам (слайд 6):

• На работу по составлению вопросов можно отвести 5-7 минут.

После окончания данной работы учитель выписывает вопросы учащихся на доске или это делают специально назначенные ученики. 

Учащиеся каждой группы озвучивают сформулированные вопросы (по одному вопросу). При этом группы озвучивают вопросы последовательно (по кругу) пока не назовут все составленные вопросы. Если вопросы повторяются, то ни произносить их ни записывать не нужно. 

Некоторые формулировки вопросов, которые даны учащимися, могут быть не корректными. В этом случае учитель помогает детям дать более точные формулировки.

Слайд 6

Примеры возможных вопросов учащихся: уточняющие вопросы.

Слайд 7

Примеры возможных вопросов учащихся: открытые (исследовательские) вопросы.

Слайд 8

Примечания:

• При необходимости учитель может сам добавить в список ряд вопросов, которые ему необходимо обсудить с учащимися в соответствии с планом урока. 

• Среди предложенных учащимися вопросов могут быть вопросы, выходящие за рамки данного урока. В этом случае можно предложить учащимся самостоятельно поискать информацию для ответа на такие вопросы в качестве домашнего задания.

3. Объяснение материала урока и подведение итогов

Используя вопросы из списка учитель обсуждает с учащимися материал урока. При этом он отрабатывает с учащимися формулировки видов теплопередачи, при необходимости устраняет пробелы в их знаниях и вносит коррективы. 

При подведении итогов урока можно использовать слайд 9, на котором показаны все виды теплопередачи.

Слайд 9

4. Завершение урока: повторение пройденного материала.

Задание ученикам

Посмотрите на рисунки и назовите как осуществляются процессы теплопередачи в представленных на слайдах ситуациях:

• Чайник на плите (слайд 10),

• Мороженое в руке (слайд 11),

• Котелок на костре (слайд 12),

• Теплица (слайд 13),

• Сферическое зеркало в горах Непала (слайды 14 – 16).

Примечание. Если учащиеся не могут сказать для чего предназначено зеркало (слайд 14), то можно сыграть с ними в игру «Да-нетку» на эту тему. Слайд 15 содержит подсказку – на нем хорошо видно подставку в центре зеркала, на которую ставится кастрюля или чайник для нагрева солнечным светом. На слайде 16 видно, что на подставке стоит чайник – это фактически ответ на вопрос о назначении зеркала. 

Слайд 10

Слайд 11 

Слайд 12 

Слайд 13 

Слайд 14 

Слайд 15

Слайд 16

5. Д/З. На выбор учеников

1. Многие люди считают, что шуба греет. А как думаете вы?
   Предложите варианты опытов, которые нужно поставить, чтобы доказать или опровергнуть эту точку зрения (слайд 17). 
2. Объясните, почему аксакалы в яркие солнечные дни в жару носят теплые ватные халаты (слайд 18).
3. Проведите исследование: сколько времени содержимое термоса остается горячим? 

Примечание. Предварительно обсудите с учащимися методику эксперимента. Например, можно залить в термос кипяток и через определенные интервалы времени (каждые 30 минут) измерять его температуру.

Данное исследование можно поручить 3-5 ученикам и на следующем уроке сравнить их результаты. Желательно, чтобы они принесли на урок термоса, с которыми проводили эксперименты.

4. Если термос устроен так умно, то почему через какое-то время его содержимое все-таки остывает? Постарайтесь объяснить почему это происходит (слайд 19).

Ответ (для учителя):

• Немного теплоты выходит через пробку и крышку термоса. Если вы потрогаете крышку, то скорее всего почувствуете, что она слегка нагрета.
• Также потери теплоты, пусть и менее ощутимые, происходят через стенки термоса. 
  • Прежде всего это связано с качеством откачки воздуха. Абсолютный вакуум создать невозможно. Поэтому между стенками колбы всегда остается немного воздуха. Чем его больше, тем больше потери теплоты.
  • Происходят также потери теплоты из-за не идеальности отражающей поверхности колбы. Невозможно сделать зеркальную поверхность с коэффициентом отражения 100%. Обычно этот параметр у внутренней поверхности колбы около 90%. Значит термос обязательно излучает теплоту.

Слайд 17

Слайд 18

Слайд 19

 6. Дополнительный материал: ураганный ветер «Бора»

Советский писатель Константин Паустовский в рассказе «Небесная азбука морзе» описывает ураганный ветер «Бора» и шторм, который произошел в конце 19 века в Черном море вблизи г. Новороссийска. Учитель может обсудить с учащимися это природное явление и процессы теплопередачи, которые происходили.

«Море клокочет, как бы пытаясь взорваться. Ветер швыряет увесистые камни, сбрасывает под откосы товарные поезда, свертывает в тонкие трубки железные крыши, качает стены домов.

Двое суток мы находились на авральной работе. Мы сбивали лёд ломами, раскалённым железом и обливали его кипятком. Тонкие снасти превращались в ледяные бревна. Когда ураган достиг наивысшего напряжения, мы обрубили реи, утлегарь и весь такелаж на мачтах, но это нисколько не помогло. Хотели выбросить за борт пушки, но они вместе со станками приросли к палубе, составляя сплошные глыбы льда. Волны свободно ходили через корабль.

Эскадра Юрьева погибла от того, что лопнули все железные якорные цепи. Корабли были разбиты о подводные камни. С тех пор некоторые капитаны, застигнутые борой, начали отдавать якоря не на цепях, а на пеньковых веревках. Железные цепи делались слишком хрупкими от жестокого мороза – неизменного спутника Боры – и легко ломались на перегибах около клюзов. Эскадра погибла, разбившись о берега. Только один корабль «Струя» потонул среди залива, не выдержав тяжести наросшего льда. Он стоял закрепив якорную цепь за бочку, и не успел вовремя расклепать цепь, чтобы его выбросило на берег. Тогда часть людей могла бы спастись». 

К. Г. Паустовский. «Родные просторы» Гос. Издательство географической литературы, Москва, 1954 г., с. 310.

Справка: Бора

Бора — сильный холодный порывистый северный ветер. Бора возникает, когда поток холодного воздуха встречает на своём пути возвышенность, например, невысокие горы на морском берегу. Преодолев препятствие, холодный воздух под воздействием силы тяжести сваливается вниз по склону гор. При этом воздушный поток приобретает большую скорость (слайды 20 и 21). 

Слайд 20

Слайд 21

Фотографии последствий Боры в г. Новороссийске приведены на слайдах 22 – 25.

Слайд 22 

Слайд 23

Слайд 24 

Слайд 25. Сковало льдом прибрежный южный город… 

Вы можете скачать презентацию и скачать пояснения к уроку.

ТЕПЛОПЕРЕДАЧА И КУЛИНАРИЯ. ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ.: mariareznor — LiveJournal

Я задумалась о том, чтобы написать текст про фритюр, но наткнулась на то, что без некоторых базовых знаний описание получится очень поверхностным или многим не будет понятным. Поэтому я решила начать с описания простым языком этих самых основ, потом на их базе будет легче понять, как работают разные кулинарные техники и приемы. Я буду описывать физику процессов сразу с привязкой к кулинарии, чтобы было понятно, где конкретно эти знания можно применять.

Меня часто спрашивают, насколько важно знать химию для освоения модернистских техник. Вопрос этот не такой простой, как может показаться. Во-первых, не химию, а физику (хотя химию тоже, но в меньшей степени). Во-вторых, очень важно разобраться в некоторых базовых вещах хотя бы на школьном уровне, чтобы начать заниматься настоящим творчеством, а не просто заучивать чьи-то рецепты, отрабатывать чужие подходы и ловко их перетасовывать. В-третьих, это нужно не только для модернистской кулинарии, но и для традиционной, это вообще основа основ приготовления еды. Например, если вы не понимаете, что такое конвекция, скорее всего, вы не умеете полноценно пользоваться духовкой. Если вы не знаете, чем отличается температура по сухой колбе от температуры по влажной, вы не владеете свободно готовкой во фритюре. Да, какие-то отдельные приемы и техники знать тоже очень полезно и практика очень важна, но, просто повторяя заученные движения, вы не сможете творить полноценно и будете ошибаться, как только привычные условия немного изменятся. А они на кухне меняются постоянно.

Пугаться не надо, для практикующего кулинара не нужно специальное образование, потому что почти все прикладные познания в физике ограничиваются восьмым классом средней школы. Смогли восьмиклассники — сможем и мы с вами.

Итак, я хочу начать с описания способов передачи тепла. Это очень важная тема, ведь, в основном, кулинария — это правильное обращение с теплом и водой. Про воду — может быть когда-нибудь, а сейчас о тепле.

Теплопередача — это процесс передачи тепловой энергии от более нагретого тела к менее нагретому. Самопроизвольно этот процесс идет только в таком порядке (второй закон термодинамики).

Принципиально теплопередача (в контексте кулинарии) бывает трех видов:

— теплопроводность;
— конвекция;
— тепловое излучение.

ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ

Теплопроводность — это переход теплоты от одного тела к другому в контакт или с более нагретой части тела к менее нагретой. Частицы более нагретого тела движутся быстрее и сталкиваются с частицами менее нагретого тела, передавая тепло.

Тепло переносится от источника через сковороду к продуктам, которые в ней находятся и не передается на расстоянии. Также, тепло от поверхности внутрь продукта почти всегда передается именно за счет теплопроводности.

Материалы по-разному проводят тепло. Например, металлы переносят тепло довольно быстро, а газы и жидкости — медленно. Керамика плохо проводит тепло и сохраняет теплоты больше, чем металлы. Она помогает компенсировать неизбежные скачки температуры в духовке, поэтому керамика так хороша для выпечки.

Многие знают, что хорошая сковорода должна иметь тяжелое многослойное дно. Тонкий лист металла проводит тепло от источника настолько быстро, что будет нагреваться пятнами и не позволит вам равномерно прогреть еду. Добротная сковорода проводит тепло медленнее, что позволяет избежать перепадов температуры и обеспечивает более равномерный нагрев. Заметим в скобках, что для выбора правильной сковороды важна не только теплопроводность материала, но и его плотность и удельная теплоемкость. Идеальную сковородку следовало бы выбирать по величине, которая учитывает все три важных параметра — это температуропроводность. Алюминий нагревается довольно быстро и не слишком равномерно, чугун — медленно и равномерно, медь — быстро и равномерно, эта разница происходит из того, что у всех трех металлов разная плотность.

Теплопроводность — самая медленная форма теплообмена, еще больше, чем на сковороде, это заметно на твердых продуктах питания. Важно помнить, что не только толщина куска влияет на скорость, с которой он прогреется, но и его геометрическая форма. Если вы нагреваете кусок толщиной в 3 см, допустим, 20 минут, то для нагрева куска толщиной в 6 см, вам потребуется в четыре раза больше времени, а не в два, как могло показаться навскидку (уравнение Фурье объясняет, как так получается, напишу, возможно, о нем подробнее в другой раз). Если же толщина куска и его длина примерно равны, то правило работает не так строго.

Тот же принцип действует не только при нагреве, но и при охлаждении. В толстом куске, независимо от того, насколько быстро вы охлаждаете его снаружи, замораживание будет происходить довольно медленно. Поэтому для сохранения качества продукта при заморозке, лучше разделить его на более тонкие кусочки и уложить в вакуумный пакет для предохранения от холодного ожога.

По этой причине почти все приложения, таблички, сайты с температурно-временными режимами для технологии су вид, не так однозначны, ведь они, как правило, не учитывают геометрическую форму куска (не говоря уже о начальной температуре).

Почитать о су вид можно в моей книге “Основы модернистской кулинарии”.
Вы можете оформить предзаказ, написав на email: [email protected] или позвонив по телефону +7 (916) 116-98-05

И по этому же принципу работает приготовление бульонов модернистским способом (тонкие ломтики морковки быстрее отдадут ароматы, чем кубики или крупные куски).

Множество кулинарных техник опираются на знания о теплопроводности — соте, жарка, фритюр, варка и т. д.

Товарищи, понятен такой текст?

методов теплопередачи | Физика

Цель обучения

К концу этого раздела вы сможете:

• Обсудите различные методы теплопередачи.

Не менее интересны, чем эффекты теплопередачи в системе, методы, с помощью которых это происходит. Всякий раз, когда есть разница температур, происходит передача тепла. Теплоотдача может происходить быстро, например, через кастрюлю, или медленно, например, через стенки ящика для льда для пикника.Мы можем контролировать скорость теплопередачи, выбирая материалы (например, толстую шерстяную одежду на зиму), контролируя движение воздуха (например, используя уплотнители вокруг дверей) или выбирая цвет (например, белая крыша для отражения лета). Солнечный свет). Так много процессов связано с теплопередачей, поэтому трудно представить себе ситуацию, когда теплопередача не происходит. Тем не менее, каждый процесс, связанный с передачей тепла, осуществляется всего тремя способами:

1. Проводимость — это передача тепла через неподвижное вещество при физическом контакте.(Материя неподвижна в макроскопическом масштабе — мы знаем, что существует тепловое движение атомов и молекул при любой температуре выше абсолютного нуля.) Тепло, передаваемое между электрической горелкой плиты и дном сковороды, передается за счет теплопроводности.
2. Конвекция — это передача тепла за счет макроскопического движения жидкости. Этот тип переноса имеет место, например, в топке с принудительной подачей воздуха и в погодных системах.
3. Передача тепла посредством излучения происходит, когда излучаются или поглощаются микроволны, инфракрасное излучение, видимый свет или другая форма электромагнитного излучения.Яркий пример — потепление Земли Солнцем. Менее очевидный пример — тепловое излучение человеческого тела.

Рис. 1. В камине передача тепла происходит всеми тремя способами: теплопроводностью, конвекцией и излучением. Излучение отвечает за большую часть тепла, передаваемого в комнату. Передача тепла также происходит через теплопроводность в комнату, но гораздо медленнее. Теплообмен за счет конвекции также происходит через холодный воздух, поступающий в комнату вокруг окон, и горячий воздух, покидающий комнату, поднимаясь вверх по дымоходу.

Мы рассмотрим эти методы более подробно в трех следующих модулях. Каждый метод имеет уникальные и интересные характеристики, но все три имеют одну общую черту: они передают тепло исключительно из-за разницы температур. Рис. 1.

Проверьте свое понимание

Назовите пример из повседневной жизни (отличный от текста) для каждого механизма теплопередачи.

Решение

• Электропроводность: тепло передается в руки, когда вы держите чашку горячего кофе.
• Конвекция: теплопередача, когда бариста «пропаривает» холодное молоко, чтобы сделать горячее какао .
• Радиация: разогрев чашки холодного кофе в микроволновой печи.

Сводка раздела

• Тепло передается тремя различными способами: теплопроводностью, конвекцией и излучением.

Концептуальные вопросы

1. Каковы основные способы передачи тепла от горячего ядра Земли к ее поверхности? С поверхности Земли в космос?
2. Когда наши тела становятся слишком теплыми, они реагируют потоотделением и усилением кровообращения на поверхности, чтобы передать тепловую энергию от ядра.Как это повлияет на человека, находящегося в горячей ванне с температурой 40 ° C?
3. На рис. 2 показан разрез термоса (также известного как сосуд Дьюара), который представляет собой устройство, специально разработанное для замедления всех форм теплопередачи. Объясните функции различных частей, таких как вакуум, серебрение стен, тонкостенная длинная стеклянная горловина, резиновая опора, воздушный слой и стопор.

   Рис. 2. Конструкция термоса предназначена для подавления всех способов теплопередачи.

4. Конструкция термоса разработана таким образом, чтобы препятствовать передаче тепла всеми способами.
5. На рисунке показан в разрезе термос с обозначениями различных частей.

Глоссарий

теплопроводность: передача тепла через неподвижное вещество при физическом контакте

конвекция: передача тепла за счет макроскопического движения жидкости

излучение: теплопередача, возникающая при испускании или поглощении микроволн, инфракрасного излучения, видимого света или другого электромагнитного излучения

Как передается тепло? Электропроводность — Конвекция — Излучение

Что такое тепло?

Вся материя состоит из молекул и атомов.Эти атомы всегда находятся в разных типах движения (поступательное, вращательное, колебательное). Движение атомов и молекул создает тепло или тепловую энергию. Вся материя обладает этой тепловой энергией. Чем больше движения имеют атомы или молекулы, тем больше у них тепла или тепловой энергии.

Это анимация, сделанная из короткого молекулярного динамического
моделирование воды. Зеленые линии представляют собой водородные связи между кислородом и
водород. Обратите внимание на плотную структуру воды

Водородные связи
намного слабее ковалентных связей.Однако при большом количестве водорода
облигации действуют в унисон, они оказывают сильное влияние. В этом случае
в воде, показанной здесь.

Жидкая вода имеет частично заказанный
структура, в которой постоянно образуются и разрушаются водородные связи.
Из-за короткой шкалы времени (порядка нескольких пикосекунд) мало связей

Что такое температура?

Из видео выше, на котором показано движение атомов и молекул, видно, что некоторые движутся быстрее, чем другие.Температура — это среднее значение энергии для всех атомов и молекул в данной системе. Температура не зависит от количества вещества в системе. Это просто среднее значение энергии в системе.

Как передается тепло?

Тепло может перемещаться из одного места в другое тремя способами: проводимостью, конвекцией и излучением. И теплопроводность, и конвекция требуют вещества для передачи тепла.

Если существует разница температур между двумя системами, тепло всегда найдет способ перейти от более высокой системы к более низкой.

ПРОВОДИМОСТЬ — —

Проводимость — это передача тепла между веществами, находящимися в непосредственном контакте друг с другом. Чем лучше проводник, тем быстрее будет передаваться тепло. Металл хорошо проводит тепло. Проводимость возникает, когда вещество нагревается, частицы получают больше энергии и больше вибрируют. Затем эти молекулы сталкиваются с соседними частицами и передают им часть своей энергии.Затем это продолжается и передает энергию от горячего конца к более холодному концу вещества.

КОНВЕКЦИЯ —

Тепловая энергия передается из горячих мест в холодные путем конвекции. Конвекция возникает, когда более теплые области жидкости или газа поднимаются к более холодным областям жидкости или газа. Более холодная жидкость или газ тогда заменяют более теплые области, которые поднялись выше. Это приводит к непрерывной схеме циркуляции.Кипящая вода в кастрюле — хороший пример таких конвекционных потоков. Еще один хороший пример конвекции — это атмосфера. Поверхность земли нагревается солнцем, теплый воздух поднимается вверх, а прохладный входит внутрь.

ИЗЛУЧЕНИЕ- —

Излучение — это метод передачи тепла, который не зависит от какого-либо контакта между источником тепла и нагретым объектом, как в случае с теплопроводностью и конвекцией. Тепло может передаваться через пустое пространство с помощью теплового излучения, которое часто называют инфракрасным излучением.Это разновидность электромагнитного излучения. В процессе излучения не происходит обмена масс и среды. Примеры излучения — это тепло солнца или тепло, выделяемое нитью лампочки.

ВЫБОР ИСТОЧНИКОВ И ЧИТАТЕЛЕЙ —

Тепло и температура от Cool Cosmo — NASA

Вот хороший апплет для демонстрации движения молекул — вы можете контролировать температуру и видеть в этом апплете, как меняются движения молекул.

Важные температуры в кулинарии и кулинарных навыках

Теплообмен

Что такое теплопередача? Что такое кондуктивный перенос тепла? Что такое конвективная теплопередача? Что такое радиационная теплопередача?

Определение теплопередачи

Теплообмен — это процесс передачи тепла от высокотемпературного резервуара к низкотемпературному резервуару. С точки зрения термодинамической системы, теплопередача — это движение тепла через границу системы из-за разницы температур между системой и окружающей средой.Теплообмен также может происходить внутри системы из-за разницы температур в различных точках внутри системы. Разница температур считается «потенциальной», которая вызывает поток тепла, а само тепло называется потоком.

Режимы теплопередачи

Есть три режима теплопередачи между двумя телами: теплопроводность, конвекция и излучение. Они описаны ниже:

Проводимость : Передача тепла между двумя твердыми телами называется теплопроводностью.Это зависит от разницы температур горячего и холодного тела. Пример кондуктивной теплопередачи — это два тела при разной температуре, которые находятся в контакте друг с другом. Другой пример — нагрев одного конца металла, как медь; из-за теплопроводности другой конец металла также нагревается.

Конвекция : передача тепла между твердой поверхностью и жидкостью называется конвекционной теплопередачей. Рассмотрим нагретый сосуд с водой, в данном случае нагрев воды за счет передачи тепла от сосуда является конвективным теплопереносом.

Излучение : Когда два тела находятся при разных температурах и разделены расстоянием, теплопередача между ними называется радиационной теплопередачей. В случае теплопроводности и конвективной теплопередачи есть среда для передачи тепла, но в случае радиационной теплопередачи среда отсутствует. Радиационная теплопередача происходит за счет электромагнитных волн, существующих в атмосфере. Одним из наиболее важных примеров радиационной теплопередачи является солнечное тепло, приходящее на Землю.

Теплопередача согласно второму закону термодинамики

Согласно второму закону термодинамики передача тепла происходит от тела с высокой температурой к телу с низкой температурой. Не будет самопроизвольной передачи тепла от тела при низкой температуре к телу при высокой температуре. Для передачи тепла от низкотемпературного тела к высокотемпературному телу должны выполняться внешние работы.

Тепло, полученное системой или телом, считается положительным, а тепло, потерянное системой, считается отрицательным для математических расчетов.Это означает, что тепло, поступающее в систему, является положительным, а тепло, выходящим из системы, отрицательным. Величина теплопередачи обозначается символом Q.

Процесс, в котором нет передачи тепла между системой и окружающей средой, называется адиабатическим процессом. Стена или граница, которая не допускает потока тепла между системой и окружающей средой, называется адиабатической стенкой, а стена, которая обеспечивает поток тепла между системой и окружающей средой, называется диатермической стенкой.

В системе MKS единицей теплопередачи является кал, а в системе СИ — джоуль. Скорость передачи тепла указывается в кВт.

Как работает тепло

Что такое энергия?

Источники энергии: возобновляемые и невозобновляемые источники

Рекомендуемая литература

Что такое энтропия?

Что такое термодинамическое равновесие?

Какова удельная теплоемкость вещества?

Что такое обратимый и необратимый процесс?

Второй закон термодинамики

Различные формулировки второго закона термодинамики

Что такое термодинамический реверсивный тепловой двигатель?

Что такое термодинамика

Первый закон термодинамики

Третий закон термодинамики

Учебное пособие по физике

Если вы следовали инструкциям с самого начала этого урока, значит, вы постепенно усложняли понимание температуры и тепла.Вы должны разработать модель материи, состоящую из частиц, которые вибрируют (покачиваются в фиксированном положении), перемещаются (перемещаются из одного места в другое) и даже вращаются (вращаются вокруг воображаемой оси). Эти движения придают частицам кинетическую энергию. Температура — это мера среднего количества кинетической энергии, которой обладают частицы в образце вещества. Чем больше частицы вибрируют, перемещаются и вращаются, тем выше температура объекта. Мы надеемся, что вы приняли понимание тепла как потока энергии от объекта с более высокой температурой к объекту с более низкой температурой.Разница температур между двумя соседними объектами вызывает эту теплопередачу. Передача тепла продолжается до тех пор, пока два объекта не достигнут теплового равновесия и не будут иметь одинаковую температуру. Обсуждение теплопередачи было построено вокруг некоторых повседневных примеров, таких как охлаждение горячей кружки кофе и нагревание холодной банки с попой. Наконец, мы исследовали мысленный эксперимент, в котором металлическая банка с горячей водой помещается в чашку из пенополистирола с холодной водой.Тепло передается от горячей воды к холодной до тех пор, пока оба образца не будут иметь одинаковую температуру.

Теперь мы должны ответить на некоторые из следующих вопросов:

• Что происходит на уровне частиц, когда энергия передается между двумя объектами?
• Почему всегда устанавливается тепловое равновесие, когда два объекта передают тепло?
• Как происходит теплопередача в объеме объекта?
• Существует более одного метода передачи тепла? Если да, то чем они похожи и чем отличаются друг от друга?

Проводимость — вид частиц

Давайте начнем наше обсуждение с возвращения к нашему мысленному эксперименту, в котором металлическая банка с горячей водой была помещена в чашку из пенополистирола с холодной водой.Тепло передается от горячей воды к холодной до тех пор, пока оба образца не будут иметь одинаковую температуру. В этом случае передачу тепла от горячей воды через металлическую банку к холодной воде иногда называют теплопроводностью. Кондуктивный тепловой поток подразумевает передачу тепла от одного места к другому при отсутствии какого-либо материального потока. Нет никакого физического или материального перехода от горячей воды к холодной. От горячей воды к холодной передается только энергия.Кроме потери энергии, от горячей воды больше ничего не ускользнет. И кроме получения энергии, в холодную воду больше ничего не входит. Как это произошло? Каков механизм, который делает возможным теплопроводный поток?

Подобный вопрос относится к вопросу на уровне частиц. Чтобы понять ответ, мы должны думать о материи как о состоящей из крошечных частиц, атомов, молекул и ионов. Эти частицы находятся в постоянном движении; это дает им кинетическую энергию.Как упоминалось ранее в этом уроке, эти частицы перемещаются по всему пространству контейнера, сталкиваясь друг с другом и со стенками своего контейнера. Это называется поступательной кинетической энергией и является основной формой кинетической энергии для газов и жидкостей. Но эти частицы также могут колебаться в фиксированном положении. Это дает частицам кинетическую энергию колебаний и является основной формой кинетической энергии для твердых тел. Проще говоря, материя состоит из маленьких вигглеров и маленьких вздоров.Вигглеры — это частицы, колеблющиеся в фиксированном положении. Они обладают колебательной кинетической энергией. Удары — это те частицы, которые движутся через контейнер с поступательной кинетической энергией и сталкиваются со стенками контейнера.

Стенки контейнера представляют собой периметры образца вещества. Так же, как периметр вашей собственности (как и в случае с недвижимостью) является самым дальним продолжением собственности, так и периметр объекта является самым дальним продолжением частиц в образце материи.По периметру маленькие бомбы сталкиваются с частицами другого вещества — частицами контейнера или даже с окружающим воздухом. Даже вигглеры, закрепленные по периметру, трясутся. Находясь по периметру, их шевеление приводит к столкновениям с находящимися рядом частицами; это частицы контейнера или окружающего воздуха.

На этом периметре или границе столкновения маленьких бомберов и вигглеров являются упругими столкновениями, в которых сохраняется общее количество кинетической энергии всех сталкивающихся частиц.Конечный эффект этих упругих столкновений заключается в передаче кинетической энергии через границу частицам на противоположной стороне. Более энергичные частицы потеряют немного кинетической энергии, а менее энергичные частицы получат немного кинетической энергии. Температура — это мера среднего количества кинетической энергии, которой обладают частицы в образце вещества. Таким образом, в среднем в более высокотемпературном объекте больше частиц с большей кинетической энергией, чем в более низкотемпературном объекте.Поэтому, когда мы усредняем все столкновения вместе и применяем принципы, связанные с упругими столкновениями, к частицам в образце материи, логично сделать вывод, что объект с более высокой температурой потеряет некоторую кинетическую энергию, а объект с более низкой температурой получит некоторую кинетическую энергию. . Столкновения наших маленьких бомжей и вигглеров будут продолжать передавать энергию до тех пор, пока температуры двух объектов не станут одинаковыми. Когда это состояние теплового равновесия достигнуто, средняя кинетическая энергия частиц обоих объектов становится равной.При тепловом равновесии количество столкновений, приводящих к выигрышу в энергии, равно количеству столкновений, приводящих к потерям энергии. В среднем нет передачи чистой энергии в результате столкновений частиц по периметру.

На макроскопическом уровне тепло — это передача энергии от высокотемпературного объекта низкотемпературному объекту. На уровне частиц тепловой поток можно объяснить в терминах суммарного эффекта столкновений всей группы маленьких взрывных устройств .Нагревание и охлаждение — макроскопические результаты этого явления на уровне частиц. Теперь давайте применим этот вид частиц к сценарию металлической банки с горячей водой, расположенной внутри чашки из пенополистирола, содержащей холодную воду. В среднем частицы с наибольшей кинетической энергией — это частицы горячей воды. Будучи жидкостью, эти частицы движутся с поступательной кинетической энергией, и ударяется о частицы металлической банки. Когда частицы горячей воды ударяются о частицы металлической банки, они передают энергию металлической банке.Это нагревает металлическую банку. Большинство металлов являются хорошими проводниками тепла, поэтому они довольно быстро нагреваются по всей емкости. Канистра нагревается почти до той же температуры, что и горячая вода. Металлическая банка, будучи цельной, состоит из маленьких вигглеров . Вигглеры по внешнему периметру металла могут ударить частиц в холодной воде. Столкновения между частицами металлической банки и частицами холодной воды приводят к передаче энергии холодной воде.Это медленно нагревает холодную воду. Взаимодействие между частицами горячей воды, металлической банки и холодной воды приводит к передаче энергии наружу от горячей воды к холодной. Средняя кинетическая энергия частиц горячей воды постепенно уменьшается; средняя кинетическая энергия частиц холодной воды постепенно увеличивается; и, в конце концов, тепловое равновесие будет достигнуто в точке, где частицы горячей и холодной воды будут иметь одинаковую среднюю кинетическую энергию.На макроскопическом уровне можно наблюдать снижение температуры горячей воды и повышение температуры холодной воды.

Механизм, в котором тепло передается от одного объекта к другому посредством столкновения частиц, известен как теплопроводность. При проводке нет чистой передачи физического материала между объектами. Ничто материальное не пересекает границу. Изменения температуры полностью объясняются увеличением и уменьшением кинетической энергии во время столкновений.

Проведение в объеме объекта

Мы обсудили, как тепло передается от одного объекта к другому посредством теплопроводности. Но как он проходит через большую часть объекта? Например, предположим, что мы достаем керамическую кружку для кофе из шкафа и ставим ее на столешницу. Кружка комнатной температуры — может быть, 26 ° C. Затем предположим, что мы наполняем керамическую кофейную кружку горячим кофе с температурой 80 ° C.Кружка быстро нагревается. Энергия сначала проникает в частицы на границе между горячим кофе и керамической кружкой. Но затем он течет через большую часть керамики ко всем частям керамической кружки. Как происходит теплопроводность самой керамики?

Механизм теплопередачи через объем керамической кружки описан так же, как и раньше. Керамическая кружка состоит из набора упорядоченных виглеров. Это частицы, которые колеблются в фиксированном положении.Когда керамические частицы на границе между горячим кофе и кружкой нагреваются, они приобретают кинетическую энергию, которая намного выше, чем у их соседей. По мере того как они покачиваются более энергично, они врезаются в своих соседей и увеличивают свою кинетическую энергию колебаний. Эти частицы, в свою очередь, начинают более энергично покачиваться, и их столкновения с соседями увеличивают их колебательную кинетическую энергию. Процесс передачи энергии посредством маленьких бэнгеров продолжается от частиц внутри кружки (в контакте с частицами кофе) к внешней стороне кружки (в контакте с окружающим воздухом).Вскоре вся кофейная кружка станет теплой, и ваша рука почувствует это.

Этот механизм проводимости за счет взаимодействия частиц с частицами очень распространен в керамических материалах, таких как кофейная кружка. То же самое работает с металлическими предметами? Например, вы, вероятно, заметили высокие температуры, достигаемые металлической ручкой сковороды, когда ее ставят на плиту. Горелки на плите передают тепло металлической сковороде. Если ручка сковороды металлическая, она тоже нагревается до высокой температуры, достаточно высокой, чтобы вызвать сильный ожог.Передача тепла от сковороды к ручке сковороды происходит за счет теплопроводности. Но в металлах механизм проводимости несколько сложнее. Подобно электропроводности, теплопроводность в металлах возникает за счет движения свободных электронов . Электроны внешней оболочки атомов металла распределяются между атомами и могут свободно перемещаться по всей массе металла. Эти электроны переносят энергию от сковороды к ручке сковороды. Детали этого механизма теплопроводности в металлах значительно сложнее, чем приведенное здесь обсуждение.Главное, чтобы понять, что передача тепла через металлы происходит без движения атомов от сковороды к ручке сковороды. Это квалифицирует передачу тепла как относящуюся к категории теплопроводности.

Теплообмен конвекцией

Является ли теплопроводность единственным средством передачи тепла? Может ли тепло передаваться через объем объекта другими способами, кроме теплопроводности? Ответ положительный. Модель теплопередачи через керамическую кофейную кружку и металлическую сковороду включает теплопроводность.Керамика кофейной кружки и металл сковороды твердые. Передача тепла через твердые тела происходит за счет теплопроводности. Это в первую очередь связано с тем, что твердые тела имеют упорядоченное расположение частиц, которые закреплены на месте. Жидкости и газы — не очень хорошие проводники тепла. На самом деле они считаются хорошими теплоизоляторами. Обычно тепло не проходит через жидкости и газы за счет теплопроводности. Жидкости и газы — это жидкости; их частицы не закреплены на месте; они перемещаются по большей части образца материи.Модель, используемая для объяснения передачи тепла через объем жидкостей и газов, включает конвекцию. Конвекция — это процесс передачи тепла от одного места к другому за счет движения жидкостей. Движущаяся жидкость несет с собой энергию. Жидкость течет из места с высокой температурой в место с низкой температурой.

Чтобы понять конвекцию жидкостей, давайте рассмотрим передачу тепла через воду, которая нагревается в кастрюле на плите. Конечно, источником тепла является горелка печи.Металлический горшок, в котором находится вода, нагревается конфоркой печи. По мере того, как металл нагревается, он начинает передавать тепло воде. Вода на границе с металлическим поддоном становится горячей. Жидкости расширяются при нагревании и становятся менее плотными. По мере того, как вода на дне горшка становится горячей, ее плотность уменьшается. Разница в плотности воды между дном и верхом горшка приводит к постепенному образованию циркуляционных токов . Горячая вода начинает подниматься к верху кастрюли, вытесняя более холодную воду, которая была там изначально.А более холодная вода, которая была наверху горшка, движется к дну горшка, где она нагревается, и начинает подниматься. Эти циркуляционные токи медленно развиваются с течением времени, обеспечивая путь для нагретой воды для передачи энергии от дна горшка к поверхности.

Конвекция также объясняет, как электрический обогреватель, установленный на полу холодного помещения, нагревает воздух в помещении. Воздух, находящийся возле змеевиков нагревателя, нагревается. По мере того, как воздух нагревается, он расширяется, становится менее плотным и начинает подниматься.Когда горячий воздух поднимается, он выталкивает часть холодного воздуха в верхнюю часть комнаты. Холодный воздух движется в нижнюю часть комнаты, чтобы заменить поднявшийся горячий воздух. По мере того, как более холодный воздух приближается к обогревателю в нижней части комнаты, он нагревается обогревателем и начинает подниматься. Снова медленно образуются конвекционные токи. Воздух движется по этим путям, неся с собой энергию от обогревателя по всей комнате.

Конвекция — это основной метод передачи тепла в таких жидкостях, как вода и воздух.Часто говорят, что тепла поднимается на в этих ситуациях. Более подходящее объяснение — сказать, что нагретая жидкость поднимается на . Например, когда нагретый воздух поднимается от обогревателя на полу, он уносит с собой более энергичные частицы. По мере того как более энергичные частицы нагретого воздуха смешиваются с более холодным воздухом у потолка, средняя кинетическая энергия воздуха в верхней части комнаты увеличивается. Это увеличение средней кинетической энергии соответствует увеличению температуры.Конечным результатом подъема горячей жидкости является передача тепла из одного места в другое. Конвекционный метод передачи тепла всегда предполагает передачу тепла движением вещества. Это не следует путать с теорией калорийности, обсуждавшейся ранее в этом уроке. В теории калорийности тепло было жидкостью, а движущаяся жидкость — теплом. Наша модель конвекции рассматривает тепло как передачу энергии, которая является просто результатом движения более энергичных частиц.

Два обсуждаемых здесь примера конвекции — нагрев воды в кастрюле и нагрев воздуха в комнате — являются примерами естественной конвекции.Движущая сила циркуляции жидкости является естественной — разница в плотности между двумя местами в результате нагрева жидкости в каком-либо источнике. (Некоторые источники вводят понятие выталкивающих сил, чтобы объяснить, почему нагретые жидкости поднимаются. Мы не будем здесь приводить подобные объяснения.) Естественная конвекция является обычным явлением в природе. Океаны и атмосфера Земли нагреваются естественной конвекцией. В отличие от естественной конвекции, принудительная конвекция включает перемещение жидкости из одного места в другое с помощью вентиляторов, насосов и других устройств.Многие системы отопления дома включают принудительное воздушное отопление. Воздух нагревается в печи, выдувается вентиляторами через воздуховоды и выпускается в помещения в местах вентиляции. Это пример принудительной конвекции. Перемещение жидкости из горячего места (около печи) в прохладное (комнаты по всему дому) приводится в движение вентилятором. Некоторые духовки являются духовками с принудительной конвекцией; у них есть вентиляторы, которые нагнетают нагретый воздух от источника тепла в духовку. Некоторые камины увеличивают нагревательную способность огня, продувая нагретый воздух из каминного блока в соседнее помещение.Это еще один пример принудительной конвекции.

Теплообмен излучением

Последний метод передачи тепла включает излучение. Излучение — это передача тепла посредством электромагнитных волн. излучать означает рассылать или распространять из центра. Будь то свет, звук, волны, лучи, лепестки цветов, спицы колес или боль, если что-то излучает , тогда оно выступает или распространяется наружу из источника.Передача тепла посредством излучения включает перенос энергии от источника к окружающему его пространству. Энергия переносится электромагнитными волнами и не связана с движением или взаимодействием материи. Тепловое излучение может происходить через материю или через область пространства, лишенную материи (то есть вакуум). Фактически, тепло, получаемое на Землю от Солнца, является результатом распространения электромагнитных волн через пустоту космоса между Землей и Солнцем.

Все объекты излучают энергию в виде электромагнитных волн. Скорость, с которой эта энергия высвобождается, пропорциональна температуре Кельвина (Т), возведенной в четвертую степень.

Мощность излучения = k • T ⁴

Чем горячее объект, тем больше он излучает. Солнце явно излучает больше энергии, чем горячая кружка кофе. Температура также влияет на длину и частоту излучаемых волн. Объекты при обычной комнатной температуре излучают энергию в виде инфракрасных волн.Поскольку мы невидимы для человеческого глаза, мы не видим эту форму излучения. Инфракрасная камера способна обнаружить такое излучение. Возможно, вы видели тепловые фотографии или видеозаписи излучения, окружающего человека или животное, или горячую кружку кофе, или Землю. Энергия, излучаемая объектом, обычно представляет собой набор или диапазон длин волн. Обычно это обозначается как спектр излучения . По мере увеличения температуры объекта длины волн в спектрах испускаемого излучения также уменьшаются.Более горячие объекты, как правило, излучают более коротковолновое и более высокочастотное излучение. Катушки электрического тостера значительно горячее комнатной температуры и излучают электромагнитное излучение в видимой области спектра. К счастью, это обеспечивает удобное предупреждение для пользователей о том, что катушки горячие. Вольфрамовая нить накаливания излучает электромагнитное излучение в видимом (и за его пределами) диапазоне. Это излучение не только позволяет нам видеть, но и нагревает стеклянную колбу, в которой находится нить накала.Поднесите руку к лампочке (не касаясь ее), и вы также почувствуете излучение лампочки.

Тепловое излучение — это форма передачи тепла, поскольку электромагнитное излучение, испускаемое источником, переносит энергию от источника к окружающим (или удаленным) объектам. Эта энергия поглощается этими объектами, вызывая увеличение средней кинетической энергии их частиц и повышение температуры. В этом смысле энергия передается из одного места в другое посредством электромагнитного излучения.Изображение справа было получено тепловизором. Камера обнаруживает излучение, испускаемое объектами, и представляет его с помощью цветной фотографии. Более горячие цветов представляют области объектов, которые излучают тепловое излучение с большей интенсивностью. (Изображения любезно предоставлены Питером Льюисом и Крисом Уэстом из SLAC Стэндфорда.)

Наше обсуждение на этой странице относилось к различным методам теплопередачи. Были описаны и проиллюстрированы проводимость, конвекция и излучение.Макроскопия была объяснена с точки зрения частиц — постоянная цель этой главы Учебного пособия по физике. Последняя тема, которую мы обсудим в Уроке 1, носит более количественный характер. На следующей странице мы исследуем математику, связанную со скоростью теплопередачи.

Проверьте свое понимание

1. Рассмотрим объект A с температурой 65 ° C и объект B с температурой 15 ° C.Два объекта помещаются рядом друг с другом, и маленькие бомбы начинают сталкиваться. Приведет ли какое-либо столкновение к передаче энергии от объекта B к объекту A? Объяснять.

2. Предположим, что объект A и объект B (из предыдущей задачи) достигли теплового равновесия. Столкнулись ли частицы двух объектов друг с другом? Если да, то приводит ли какое-либо столкновение к передаче энергии между двумя объектами? Объяснять.

Что такое теплопроводность?

Диаграмма, показывающая передачу тепловой энергии посредством теплопроводности. Кредит: Безграничный

Тепло — интересный вид энергии. Он не только поддерживает жизнь, делает нас комфортными и помогает готовить пищу, но и понимание его свойств является ключом ко многим областям научных исследований.Например, знание того, как передается тепло и степень, в которой различные материалы могут обмениваться тепловой энергией, управляет всем: от обогревателей здания и понимания сезонных изменений до отправки кораблей в космос.

Тепло может передаваться только тремя способами: теплопроводностью, конвекцией и излучением. Из них кондукция, пожалуй, самая распространенная и регулярно встречается в природе.Короче говоря, это передача тепла посредством физического контакта. Это происходит, когда вы нажимаете рукой на оконное стекло, когда вы ставите горшок с водой на активный элемент и когда вы кладете утюг в огонь.

Этот перенос происходит на молекулярном уровне — от одного тела к другому — когда тепловая энергия поглощается поверхностью и заставляет молекулы этой поверхности двигаться быстрее. В процессе они натыкаются на своих соседей и передают им энергию, и этот процесс продолжается до тех пор, пока добавляется тепло.

Процесс теплопроводности зависит от четырех основных факторов: градиента температуры, поперечного сечения материалов, длины пути и свойств этих материалов.

Температурный градиент — это физическая величина, которая описывает, в каком направлении и с какой скоростью изменяется температура в определенном месте. Температура всегда течет от самого горячего источника к самому холодному, потому что холод — это не что иное, как отсутствие тепловой энергии. Этот переход между телами продолжается до тех пор, пока разница температур не исчезнет и не наступит состояние, известное как тепловое равновесие.

Поперечное сечение и длина пути также являются важными факторами. Чем больше размер материала, участвующего в переносе, тем больше тепла необходимо для его нагрева. Кроме того, чем больше площадь поверхности подвергается воздействию открытого воздуха, тем выше вероятность потери тепла. Поэтому более короткие объекты с меньшим поперечным сечением — лучший способ минимизировать потери тепловой энергии.

Теплопроводность происходит через любой материал, представленный здесь прямоугольным стержнем. Скорость переноса частично зависит от толщины материала (представ.пользователя A). Кредит: Безграничный

И последнее, но не менее важное, это физические свойства используемых материалов. По сути, когда дело доходит до теплопроводности, не все вещества одинаковы. Металлы и камень считаются хорошими проводниками, поскольку они могут быстро передавать тепло, тогда как такие материалы, как дерево, бумага, воздух и ткань, являются плохими проводниками тепла.

Эти проводящие свойства оцениваются на основе «коэффициента», который измеряется относительно серебра.В этом отношении серебро имеет коэффициент теплопроводности 100, тогда как другие материалы имеют более низкий рейтинг. К ним относятся медь (92), железо (11), вода (0,12) и дерево (0,03). На противоположном конце спектра находится идеальный вакуум, который не может проводить тепло, и поэтому оценивается как нулевой.

Материалы, плохо проводящие тепло, называются изоляторами. Воздух с коэффициентом проводимости 0,006 является исключительным изолятором, поскольку он может удерживаться в замкнутом пространстве.Вот почему в искусственных изоляторах используются воздушные отсеки, такие как окна с двойным остеклением, которые используются для сокращения счетов за отопление. По сути, они действуют как буферы от потерь тепла.

Перо, мех и натуральные волокна являются примерами натуральных изоляторов. Эти материалы позволяют птицам, млекопитающим и людям оставаться в тепле. Морские выдры, например, живут в океанических водах, которые часто очень холодны, а их роскошный густой мех согревает их. Другие морские млекопитающие, такие как морские львы, киты и пингвины, полагаются на толстый слой жира (он же.жир) — очень плохой проводник — чтобы предотвратить потерю тепла через кожу.

Та же самая логика применяется к изоляции домов, зданий и даже космических кораблей. В этих случаях методы включают либо воздушные карманы между стенами, стекловолокно (которое задерживает воздух) или пену высокой плотности. Космические аппараты представляют собой особый случай и используют изоляцию в виде пенопласта, армированного углеродного композитного материала и плиток из кварцевого волокна. Все они являются плохими проводниками тепла и, следовательно, предотвращают потерю тепла в космосе, а также предотвращают попадание экстремальных температур, вызванных атмосферным входом, в кабину экипажа.

Электропроводность, как показано при нагревании металлического стержня пламенем. Кредит: Высшее образование Томсона.

Законы теплопроводности очень похожи на закон Ома, регулирующий электрическую проводимость. В этом случае хороший проводник — это материал, который позволяет электрическому току (то есть электронам) проходить через него без особых проблем. Электрический изолятор, напротив, представляет собой любой материал, внутренние электрические заряды которого не текут свободно, и поэтому очень трудно проводить электрический ток под действием электрического поля.

В большинстве случаев материалы, которые плохо проводят тепло, также плохо проводят электричество. Например, медь хорошо проводит тепло и электричество, поэтому медные провода так широко используются в производстве электроники. Золото и серебро еще лучше, и там, где цена не является проблемой, эти материалы также используются при строительстве электрических цепей.

И когда кто-то хочет «заземлить» заряд (т.е.е. нейтрализовать его), они отправляют его через физическое соединение с Землей, где теряется заряд. Это обычное дело для электрических цепей, в которых присутствует незащищенный металл, гарантирующий, что люди, случайно вступившие в контакт, не будут поражены электрическим током.

Это вид носовой части космического корабля «Дискавери», построенного из жаропрочных углеродных композитов. Предоставлено: НАСА.

Изоляционные материалы, такие как резина на подошвах обуви, используются для защиты людей, работающих с чувствительными материалами или вблизи источников электрического тока, от электрических разрядов.Другие изоляционные материалы, такие как стекло, полимеры или фарфор, обычно используются в линиях электропередач и высоковольтных передатчиках мощности, чтобы энергия передавалась в цепи (и ничего больше!)

Короче говоря, проводимость сводится к передаче тепла или передачи электрического заряда. И то, и другое происходит в результате способности вещества позволять молекулам передавать энергию через них.

Разработан теплопроводящий пластик

Ссылка :
Что такое теплопроводность? (2014, 9 декабря)
получено 13 июня 2021 г.
с https: // физ.org / news / 2014-12-what-is-heat-constraction.html

Этот документ защищен авторским правом. За исключением честных сделок с целью частного изучения или исследования, никакие
часть может быть воспроизведена без письменного разрешения. Контент предоставляется только в информационных целях.

Heat Transfer — обзор

5.2.2.2 Теплообмен

Теплообмен в жидких металлах с низким молекулярным числом Прандтля характеризуется высоким вкладом молекулярной проводимости по сравнению с обычными жидкостями с большим числом Прандтля, такими как вода. В открытой литературе доступно большое количество корреляций (Cheng et al., 2006). Большинство из них принимают выражение как.

(5.23) Nu = a + b⋅Pen

, где a, b, и n — коэффициенты. Раньше экспериментальные исследования проводились с использованием различных жидких металлов: натрий-калий (NaK), ртуть, LBE и натрий.Молекулярные числа Прандтля NaK, ртути и LBE близки друг к другу, то есть находятся в диапазоне 0,01–0,03, тогда как число Прандтля натрия намного меньше, около 0,006. Основываясь на экспериментальных данных по теплообмену в NaK, Skupinski et al. (1965) указали, что следующее уравнение дает наилучшее согласие с данными испытаний:

(5,24) Nu = 4,82 + 0,0185⋅Pe0,827

Sleicher et al. (1973) экспериментально исследовали локальные коэффициенты теплоотдачи в потоках NaK в трубе при различных граничных условиях, то есть однородном тепловом потоке и однородной температуре стенки.Установлено, что в случае однородной температуры стенки коэффициенты теплоотдачи ниже, чем в случае равномерного теплового потока. Следующее уравнение было предложено для условий равномерного теплового потока:

(5,25) Nu = 6,3 + 0,0167ePe0,85⋅Pr0,08

Испытания теплопередачи в потоке труб LBE были представлены Ибрагимовым и др. (1960). На основе измерения температуры поверхности стены было получено хорошее согласие между данными испытаний и следующей корреляцией:

(5.26) Nu = 4,5 + 0,014⋅Pe0,8

Учеными бывшего Советского Союза было собрано огромное количество тестовых данных для ртути, NaK, LBE и Na. Недавно Кириллов и Ушаков (2001) рекомендовали следующую корреляцию для потоков LBE:

(5,27) Nu = 4,5 + 0,018⋅Pe0,8

На рис. 5.8 сравнивается число Нуссельта, вычисленное с различными корреляциями, упомянутыми выше. Как видно, между этими корреляциями наблюдается большое отклонение.

Рис. 5.8. Сравнение различных корреляций HT.

Расхождение между корреляциями теплопередачи в основном вызвано расхождением в экспериментальных наборах данных, используемых для вывода корреляций. Проверяя большое количество наборов данных испытаний теплопередачи, доступных в открытой литературе, Кириллов (1962) указал, что экспериментальные данные по теплопередаче к жидким металлам часто не согласуются друг с другом. Причины расхождения пока не выяснены.

Систематическая оценка различных корреляций была проведена Cheng et al.(2006). На основе сравнения с данными испытаний и результатами CFD было предложено следующее уравнение:

(5,28) Nu = A + 0,018⋅Pe0,80

с

(5,29) A = 4,5Pe≤10005,4−9 × 10− 4Pe1000≤Pe≤20003,6Pe≥2000

для потока жидкого металла в трубках и уравнений

(5,30) Nu = a + b⋅Pe0,86

с

(5,31) a = 6,66 + 3,126PD + 1,184PD2

(5,32) b = 0,0109, Pe≤20000,0155 / 2,5−0,0005⋅Pe0,86,2000≤Pe≤30000.