 ПОЗНАВАТЕЛЬНОЕ
| Теплопровідність. Основний закон теплопровідності
ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №5 «Визначення коефіцієнту теплопровідності Мета роботи Вивчення методики й експериментальне визначення коефіцієнту теплопровідності сільськогосподарських матеріалів.
Програма роботи 1. Вивчити теоретичні основи явища теплопровідності. 2. Вивчити будову і принцип роботи лабораторної установки. 3. Визначити щільність теплового потоку і перепад температур на зразку сільськогосподарського матеріалу. 4. Обробити дані експерименту. Визначити коефіцієнт теплопровідності досліджуваних матеріалів. 5. Оформити звіт по роботі.
Вказівки по підготовці до роботи Позааудиторно по рекомендованій літературі [1] с.134 -137, [1] с.104-123 вивчити теоретичні основи явища теплопровідності. У лабораторії теплотехніки по рекомендаціях методичних вказівок і паспорту лабораторної установки вивчити будову і принцип її роботи. Підготувати таблицю результатів вимірів і обчислень (табл. 1.).
Обладнання робочого місця Робоче місце оснащене комплексом приладів і обладнанням для визначення коефіцієнту теплопровідності (рис. 2.), плакатами та методичними вказівками.
Вказівки по виконанню роботи, аналізу результатів і складанню звіту По плакатам та установкам виконати пункти, які зазначено в програмі роботи. По результатам випробування провести розрахунок коефіцієнту теплопровідності сільськогосподарських матеріалів і оформити звіт. Звіт по роботі повинний містити схему лабораторної установки, таблицю результатів вимірювань та обчислень основних показників, аналіз і висновки.
Теоретичні аспекти тепломасообміну Способи передачі теплоти Усі процеси, що протікають в часі і просторі, зв'язані з явищами переносу енергії і маси. Процеси переносу теплоти і маси, що протікають переважно в суцільних середовищах (у твердих тілах, рідинах і газах), є предметом вивчення цього фундаментального розділу теплотехніки. Відповідно до другого закону термодинаміки під дією різниці температур відбувається процес переносу теплоти в просторі убік менших значень температури. Самовільний необоротний процес переносу теплоти в просторі, обумовлений різницею температур, називається теплообміном. Закономірності переносу теплоти і кількісні характеристики цього процесу вивчаються теорією теплообміну. Перенос маси відбувається при різниці концентрації речовини, при випаровуванні, кипінні, конденсації і в багатьох інших процесах. Якщо має місце обмін як теплотою, так і масою, то процес називається тепломасообміном. У теорії тепломасообміну вивчають потоки теплоти і маси. Нехай q і j — вектори щільності потоків теплоти Q і маси М визначаються рівняннями:
де Q — кількість теплоти, переданої через площу F за одиницю часу, Вт; qп — проекція вектора щільності теплового потоку на напрямок нормалі, Вт/м2; n — одинична нормаль; М — кількість речовини, переданої через площу F за одиницю часу, кг/с; jп — щільність потоку маси, кг/(м2·c). Теплообмін може здійснюватися трьома способами: теплопровідністю, конвекцією і тепловим випромінюванням. Розрізняють також теплообмін при фазових перетвореннях (випаровуванні, кипінні, конденсації речовини). Теплопровідність — це перенос тепла при безпосередньому контакті тіл (або частин одного тіла), що мають різні температури. Теплопровідність обумовлена рухом мікрочасток речовини і можлива у твердих, рідких і газоподібних середовищах. Конвекція — це процес переносу теплоти при переміщенні макрооб'ємів рідини або газу у просторі з області з одною температурою в область з іншою. При цьому на перенос тепла істотно впливає процес переносу самого середовища. Тепловим випромінюванням називається процес переносу теплоти в просторі за допомогою електромагнітних хвиль. При цьому має місце подвійне взаємне перетворення: частина внутрішньої енергії випромінювача перетворюється в енергію електромагнітних хвиль, що поглинаються теплосприймаючим тілом, перетворюючись в теплову енергію. У дійсності в природі і техніці випадки поширення тепла відбуваються лише одним способом — теплопровідністю, конвекцією і тепловим випромінюванням. Найчастіше один вид теплообміну супроводжується іншим. Конвекція тепла завжди супроводжується теплопровідністю, тому, що при русі рідин і газів вони контактують з твердою поверхнею. Спільний процес конвекції і теплопровідності називається конвективним теплообміном. На практиці можуть мати місце більш складні процеси переносу теплоти. У техніці і побуті проходять процеси теплообміну між різними рідинами (стисливими, або нестисливими), розділеними твердою стінкою. Прикладом може служити процес передачі теплоти водою в опалювальному приладі навколишньому повітрю в приміщенні. Процес передачі теплоти від однієї рідини до іншої, що мають різну температуру, через розділяючу їх стінку називається теплопередачею. Основні визначення Процес теплообміну може мати місце тільки за умови, що в різних точках системи температура неоднакова. У загальному випадку температура залежить від координат х, у, z розглянутої точки і часу τ :
Сукупність значень температури для всіх точок простору в даний момент часу називається температурним полем. Якщо температурне поле в часі не міняється, воно називається стаціонарним, якщо ж змінюється — нестаціонарним. Тепловий режим тіла (або системи тіл), що відповідає стаціонарному температурному полю, називають сталим, а той, що відповідає нестаціонарному температурному полю — несталим. Якщо температура тіла (системи тіл) змінюється в напрямку однієї координати, то температурне поле називають одномірним (t=f(х)), якщо вздовж двох координат (t=f(х,y)) — двомірним, у напряму трьох координат (t=f(х,y,z)) — тримірним. Якщо з'єднати всі точки тіла, що мають однакову температуру, одержимо поверхню рівних температур, або ізотермічну поверхню. Ізотермічна поверхня — це геометричне місце точок простору, що мають однакову температуру. Оскільки в одній і тій же точці простору одночасно не може бути двох різних температур, то ізотермічні поверхні одна з одною не перетинаються. Усі вони або закінчуються па границі тіла, або замикаються на собі. Таким чином, зміна температури в тілі проходить тільки в напрямках, що перетинають ізотермічні поверхні (наприклад, у напрямку х, рис. 1). Найбільш різка зміна температури має місце в напрямку нормалі п до ізотермічної поверхні. Зміна температури в напрямку нормалі до ізотермічної поверхні характеризується градієнтом температури. Градієнтом температури є вектор, спрямований по нормалі до ізотермічної поверхні вбік зростання температури і чисельно рівний похідній температури по цьому напрямку (рис 1):
де n0 - одиничний вектор, нормальний до ізотермічної поверхні і спрямований убік зростання температур;
Рис. 1. До визначення температурного градієнта
Градієнт температури з від'ємним знаком, тобто спрямований убік зменшення температури, називають падінням температури. У неоднорідному температурному полі виникає перенос теплоти. Кількість теплоти, що проходить за одиницю часу через довільну поверхню F, називають тепловим потоком Q Вт. Тепловий потік, віднесений до одиниці площі поверхні, називають щільністю теплового потоку, або питомим тепловим потоком q, Вт/м2. Розрізняють місцеву (локальну) і середню по поверхні F щільність теплового потоку. Зв'язок між ними визначається співвідношенням
де qл і q - відповідно локальна і середня по поверхні F щільність теплового потоку. Тепло може виділятися внаслідок наявності внутрішніх джерел теплоти, що характеризуються щільністю об'ємного тепловиділення qV, Вт/м3. Якщо величина qV позитивна, то говорять, що в тілі маються позитивні джерела тепла. При від'ємних значеннях qV маються негативні джерела (або стоки) тепла.
Теплопровідність. Основний закон теплопровідності Відповідно до основного закону теплопровідності — закону Фур'е — кількість тепла dQ, що проходить за одиницю часу через елемент ізотермічної поверхні dF, пропорційна температурному градієнтові
де λ - коефіцієнт пропорційності, називається теплопровідністю, Вт/(м·К); п0 — одиничний вектор нормалі до поверхні dF. Щільність теплового потоку є вектор, що визначається співвідношенням:
Скалярна величина вектора щільності теплового потоку буде дорівнювати, Вт/м2:
Знак мінус у рівняннях обумовлений різноспрямованістю векторів З рівняння випливає, що теплопровідність λ дорівнює кількості теплоти, що проходить за одиницю часу через одиницю ізотермічної поверхні при градієнті температури, що дорівнює одиниці. Теплопровідність є важливим фізичним параметром речовини. Величину коефіцієнта теплопровідності первинно визначають експериментальним шляхом. У загальному випадку теплопровідність залежить від роду речовини, її температури, тиску. Теплопровідність газів знаходиться в межах від λ = 0,006 до λ =0,06 Вт/(м·К). Для газів λ майже не залежить від тиску і збільшується з підвищенням температури. Теплопровідність водяної пари та інших реальних газів істотно відрізняється від теплопровідності ідеальних газів і помітно залежить від тиску. Теплопровідність краплинних рідин знаходиться в межах від λ =0,07 до λ =0,7 Вт/(м·К). Для більшості рідин, крім води і гліцерину, з підвищенням температури теплопровідність зменшується. Теплопровідність металів лежить у межах від 20 до 400 Вт/(м·К). Найбільш теплопровідним металом є срібло (λ=410 Вт/(м·К) і чиста мідь (λ =395Вт/(м·К). Сторонні домішки в металах помітно знижують значення теплопровідності. Для більшості металів з підвищенням температури теплопровідність зменшується. Теплопровідність будівельних і теплоізоляційних матеріалів має значення від 0,01 до 2,9 Вт/(м·К). Матеріали з низьким значенням теплопровідності (менше 0,2 Вт/(м·К)), звичайно застосовувані для теплової ізоляції, називаються теплоізоляційними.
|
- скалярна величина температурного градієнта, що дорівнює похідній температури по нормалі.
,
і 
спрямований убік спадання температури, а вектор 
за визначенням — убік її зростання.