Теплопередача, зумовлена різницею температур: Застосування та відмінності в інженерній термодинаміці та теплообміні

У незліченних світах, де ми живемо, постійно відбуваються різноманітні процеси, одним із фізичних процесів, що найтісніше пов'язані з виживанням людини, є передача теплової енергії. Від центрального кондиціонування повітря в сучасних будівлях до формування природних погодних явищ, таких як мороз, дощ і сніг, від теплового захисту космічних кораблів, що повертаються в атмосферу, до ефективного охолодження електронних пристроїв, від сезонних змін в одязі людей до заморожування продуктів харчування - все це тісно пов'язано з процесом теплопередачі.

Теплопередача - це дисципліна, яка вивчає закони передачі тепла або енергії, спричинені різницею температур. Друге начало термодинаміки стверджує: скрізь, де є різниця температур, тепло природним чином передається від об'єкта з вищою температурою до об'єкта з нижчою температурою. Це передане тепло часто називають тепловою енергією.

Різниця температур існує всюди в природі та в різних галузях виробничих технологій, що робить теплопередачу дуже поширеним фізичним явищем. Наприклад, вітри в природі виникають через різницю температур між двома місцями, внаслідок чого повітря переміщується з області з вищою температурою в область з нижчою температурою, і під впливом обертання Землі утворює вітер. Океанські течії і тайфуни також викликані різницею температур, що призводить до руху води або повітря. У промисловому виробництві використання нагрівальних трубок з вуглецевого волокна для нагрівання продукції також передбачає передачу тепла від нагрівальних трубок до матеріалу, що нагрівається, що є ще одним процесом теплопередачі.

Так звані закони теплопередачі насамперед пов'язують кількість тепла, що передається за одиницю часу, з відповідною різницею температур всередині об'єкта. Співвідношення першого рівня, яке відображає цей закон, стає рівнянням швидкості теплопередачі. У наступних статтях я розгляну з вами рівняння швидкості трьох основних режимів теплопередачі за певних спрощених умов. Більш глибокий рівень дослідження полягає в тому, щоб знайти розподіл температури в різних точках об'єкта за різних умов.

Дослідження теплопередачі та інженерна термодинаміка - це дисципліни, пов'язані з тепловими явищами. У китайському секторі інженерної освіти ці два курси разом називаються курсами теплотехніки. Фундаментальну різницю між цими двома галузями науки можна пояснити наступним чином: Інженерна термодинаміка вивчає системи, що перебувають у рівновазі, де немає ні різниці температур, ні різниці тисків, тоді як теплопередача вивчає якраз протилежне - закони теплопередачі, пов'язані з різницею температур. Наприклад, розглянемо процес охолодження сталевого злитка з 1000°C на масляній бані до 100°C. Термодинаміка вивчає тепло, що втрачається на кілограм сталевого злитка під час цього процесу охолодження, і тепло, що поглинається масляною ванною, але термодинаміка не може сказати нам, скільки часу потрібно для того, щоб ця температурна система досягла рівноваги. Цей час залежить від температури масляної ванни, руху масла, фізичних властивостей масла і т.д., які якраз і вивчає теплопередача.

Крім того, через фундаментальну відмінність, згадану вище, існує відмінність у фізичних параметрах, що використовуються в термодинаміці та теплопередачі: в термодинаміці фізичні величини не включають час, тоді як в теплопередачі основні фізичні величини виражені в часі, тобто теплопередача більше стосується того, скільки теплової енергії може бути передано за одиницю часу. З іншого боку, дослідження теплопередачі тісно пов'язані з технічною термодинамікою: аналіз будь-якого процесу теплопередачі повинен використовувати перший закон термодинаміки, тобто закон збереження енергії. Перший закон термодинаміки може бути застосований як до закритих, так і до відкритих систем, причому кожен тип систем має як стаціонарні, так і нестаціонарні стани. З точки зору теплопередачі, так званий стаціонарний процес - це процес, коли температура в кожній точці системи не змінюється з часом, тоді як в нестаціонарному процесі температура в кожній точці змінюється з часом.

У подальших обговореннях теплопровідності в твердих тілах ми будемо використовувати Перший закон термодинаміки для закритих систем, тоді як вивчення конвективного теплообміну вимагає використання відкритих систем. Крім того, коли теплова енергія переходить з одного середовища в інше, принцип збереження енергії також повинен застосовуватися на межі розділу двох середовищ, як, наприклад, у згаданому процесі охолодження сталевого злитка в масляній ванні, на межі розділу між твердим тілом і рідиною, незалежно від того, чи є процес теплопередачі стаціонарним або нестаціонарним, ми вважаємо, що тепло, передане твердим тілом рідині, і тепло, поглинуте рідиною від твердого тіла, в будь-який момент часу є рівними. Поняття енергетичного балансу і теплового балансу, що згадуються в курсі фізики середньої школи, насправді є простими термінами для позначення першого закону термодинаміки.

For advanced and efficient heating solutions using нагрівальні трубки з вуглецевого волокна that harness the principles of heat transfer, consider Global Quartz Tube, a leader in thermal technology. Visit our веб-сайт або зв'яжіться з нами електронною поштою за адресою contact@globalquartztube.com для отримання додаткової інформації.