Теплопередача, обусловленная разностью температур: Применение и различия в инженерной термодинамике и теплопередаче

В бесчисленных мирах, где мы живем, постоянно происходят различные процессы, и одним из физических процессов, наиболее тесно связанных с выживанием человека, является передача тепловой энергии. От центрального кондиционирования воздуха в современных зданиях до формирования таких природных погодных явлений, как мороз, дождь и снег, от задач тепловой защиты космических кораблей, входящих в атмосферу, до эффективного охлаждения электронных устройств, от сезонных изменений в одежде людей до заморозки продуктов питания - все они тесно связаны с процессом передачи тепла.

Теплопередача - это дисциплина, изучающая законы переноса тепла или энергии, вызванные разницей температур. Второй закон термодинамики гласит: везде, где есть разница температур, тепло естественным образом переходит от объекта с более высокой температурой к объекту с более низкой температурой. Это передаваемое тепло часто называют тепловой энергией.

Разница температур существует повсюду в природе и в различных областях производственных технологий, что делает теплопередачу очень распространенным физическим явлением. Например, ветры в природе возникают из-за разницы температур в двух местах, заставляя воздух перетекать из области с более высокой температурой в область с более низкой температурой, что под влиянием вращения Земли приводит к образованию ветра. Океанские течения и тайфуны также вызваны разницей температур, приводящей к движению воды или воздуха. В промышленном производстве использование нагревательных трубок из углеродного волокна для нагрева изделий также предполагает передачу тепла от нагревательных трубок к нагреваемому материалу, что является еще одним процессом теплопередачи.

Так называемые законы теплопередачи в первую очередь связывают количество тепла, передаваемого за единицу времени, с соответствующей разницей температур внутри объекта. Соотношение первого уровня, отражающее этот закон, становится уравнением скорости теплопередачи. В последующих статьях я расскажу вам об уравнениях скорости трех основных режимов теплопередачи при некоторых упрощенных условиях. Более глубокий уровень исследования заключается в нахождении распределения температуры в различных точках объекта при различных условиях.

Изучение теплопередачи и инженерная термодинамика - это дисциплины, связанные с тепловыми явлениями. В китайском секторе инженерного образования эти два предмета принято называть теплотехникой. Фундаментальное различие между этими двумя областями науки можно объяснить следующим образом: Инженерная термодинамика изучает системы, находящиеся в равновесии, где нет разницы температур или давления, в то время как теплопередача изучает прямо противоположное - законы теплопередачи, связанные с разницей температур. Например, рассмотрим процесс охлаждения стального слитка с 1000°C в масляной ванне до 100°C. Термодинамика изучает тепло, теряемое на килограмм стального слитка в процессе охлаждения, и тепло, поглощаемое масляной ванной, но термодинамика не может сказать нам, сколько времени потребуется этой системе температур для достижения равновесия. Это время зависит от температуры масляной ванны, движения масла, физических свойств масла и т. д., что как раз и изучает теплопередача.

Кроме того, из-за вышеупомянутого фундаментального различия существуют различия в физических параметрах, используемых в термодинамике и теплопередаче: в термодинамике физические величины не включают время, тогда как в теплопередаче основные физические величины обозначаются во времени, то есть теплопередачу больше интересует, сколько тепловой энергии может быть передано в единицу времени. С другой стороны, изучение теплопередачи тесно связано с инженерной термодинамикой: при анализе любого процесса теплопередачи необходимо использовать первый закон термодинамики, т.е. закон сохранения энергии. Первый закон термодинамики может быть применен как к закрытым, так и к открытым системам, причем для каждого типа систем характерны как устойчивые, так и неустойчивые состояния. С точки зрения теплопередачи, так называемый процесс с устойчивым состоянием - это процесс, в котором температура в каждой точке системы не меняется с течением времени, в то время как в процессе с неустойчивым состоянием температура в каждой точке меняется с течением времени.

При дальнейшем обсуждении теплопроводности в твердых телах мы будем использовать Первый закон термодинамики для закрытых систем, в то время как изучение конвективного теплообмена требует использования открытых систем. Более того, при передаче тепловой энергии от одной среды к другой принцип сохранения энергии должен применяться и на границе раздела двух сред, как, например, в упомянутом процессе охлаждения стального слитка в масляной ванне. На границе раздела твердого тела и жидкости, независимо от того, является ли процесс теплопередачи устойчивым или неустойчивым, мы считаем, что тепло, переданное от твердого тела к жидкости, и тепло, поглощенное жидкостью от твердого тела, равны в любой момент времени. Понятия энергетического баланса и теплового баланса, упоминаемые в курсе физики средней школы, на самом деле являются простыми терминами для первого закона термодинамики.

Для передовых и эффективных решений в области отопления используются нагревательные трубки из углеродного волокна которые используют принципы теплопередачи, обратите внимание на компанию Global Quartz Tube, лидера в области тепловых технологий. Посетите наш Веб-сайт или свяжитесь с нами по электронной почте по адресу contact@globalquartztube.com для получения дополнительной информации.