Пренос на топлина под влияние на температурните разлики: Приложения и разлики в инженерната термодинамика и топлопренасянето

В безбройните светове, в които живеем, непрекъснато протичат различни процеси, като един от физическите процеси, най-тясно свързани с оцеляването на човека, е преносът на топлинна енергия. От централната климатична инсталация в съвременните сгради до образуването на природни метеорологични явления като слана, дъжд и сняг, от предизвикателствата на топлинната защита на космическите кораби, навлизащи в атмосферата, до ефективното охлаждане на електронните устройства, от сезонните промени в облеклото на хората до замразеното съхранение на човешката храна - всички те са тясно свързани с процеса на пренос на топлина.

Топлопренасянето е дисциплина, която изследва законите за пренос на топлина или енергия, причинени от температурни разлики. Вторият закон на термодинамиката гласи: навсякъде, където има температурна разлика, топлината естествено преминава от обект с по-висока температура към обект с по-ниска температура. Тази пренесена топлина често се нарича топлинна енергия.

Температурните разлики съществуват навсякъде в природата и в различни области на производствените технологии, поради което преносът на топлина е много често срещано физично явление. Например ветровете в природата се причиняват от температурните разлики между две места, което води до движение на въздуха от зона с по-висока температура към зона с по-ниска температура, а въртенето на Земята оказва допълнително влияние върху образуването на вятър. Океанските течения и тайфуните също се причиняват от температурни разлики, които водят до движение на вода или въздух. В индустриалното производство използването на нагревателни тръби от въглеродни влакна за нагряване на продукти включва и предаване на топлината от нагревателните тръби към нагрявания материал, което е друг процес на пренос на топлина.

Така наречените закони за пренос на топлина свързват количеството топлина, пренесено за единица време, със съответната температурна разлика в даден обект. Връзката от първо ниво, която отразява този закон, се превръща в уравнение на скоростта на топлопренасяне. В следващите статии ще обсъдя с вас уравненията на скоростта на трите основни начина на пренос на топлина при определени опростени условия. По-дълбоко ниво на изследване е намирането на разпределението на температурата в различни точки в обекта при различни условия.

Топлопренасянето и инженерната термодинамика са дисциплини, свързани с топлинните явления. В сектора на инженерното образование в Китай тези две дисциплини се наричат общо "дисциплини по топлотехника". Основната разлика между тези две научни области може да се обясни по следния начин: Инженерната термодинамика изучава системи в равновесие, в които няма температурни разлики или разлики в налягането, докато топлообменът изучава точно обратното - законите за пренос на топлина, включващи температурни разлики. Например, разгледайте процеса на охлаждане на стоманен слитък от 1000°C в маслена баня до 100°C. Термодинамиката изучава топлината, която се губи на килограм стоманен слитък по време на този процес на охлаждане, и топлината, погълната от маслената баня, но термодинамиката не може да ни каже колко време е необходимо на тази температурна система да достигне равновесие. Това време зависи от температурата на маслената баня, движението на маслото, физичните свойства на маслото и т.н., които именно изучават топлообмена.

Освен това, поради фундаменталната разлика, спомената по-горе, съществува разлика във физичните параметри, използвани в термодинамиката и топлопреноса: в термодинамиката физичните величини не включват време, докато при топлопреноса основните физични величини са изразени във време, т.е. топлопреносът се занимава повече с това колко топлинна енергия може да се пренесе за единица време. От друга страна, изследванията на преноса на топлина са тясно свързани с инженерната термодинамика: при анализа на всеки процес на пренос на топлина трябва да се използва първият закон на термодинамиката, т.е. законът за запазване на енергията. Първият закон на термодинамиката може да се прилага както в затворени, така и в отворени системи, като всеки тип система има както устойчиви, така и неустойчиви състояния. От гледна точка на преноса на топлина, така нареченият процес в стационарно състояние е този, при който температурата във всяка точка на системата не се променя с течение на времето, докато при процеса в нестационарно състояние температурите във всяка точка се променят с течение на времето.

В бъдещите дискусии за топлопроводимостта в твърди тела ще използваме Първия закон на термодинамиката за затворени системи, докато изучаването на конвективния топлообмен изисква използването на отворени системи. Освен това, когато топлинната енергия преминава от една среда в друга, принципът на запазване на енергията трябва да се прилага и на границата между двете среди, като например споменатия процес на охлаждане на стоманен слитък в маслена баня, на границата между твърдото тяло и течността, независимо дали процесът на топлообмен е постоянен или нестационарен, смятаме, че топлината, предадена от твърдото тяло на течността, и топлината, погълната от течността от твърдото тяло, са равни във всеки един момент. Понятията енергиен баланс и топлинен баланс, споменати в гимназиалната физика, всъщност са прости термини за Първия закон на термодинамиката.

For advanced and efficient heating solutions using отоплителни тръби от въглеродни влакна that harness the principles of heat transfer, consider Global Quartz Tube, a leader in thermal technology. Visit our уебсайт или се свържете с нас чрез имейл на contact@globalquartztube.com за повече информация.