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.

For advanced and efficient heating solutions using нагревательные трубки из углеродного волокна that harness the principles of heat transfer, consider Global Quartz Tube, a leader in thermal technology. Visit our Веб-сайт или свяжитесь с нами по электронной почте по адресу contact@globalquartztube.com для получения дополнительной информации.