В физике и технике тепловой поток или тепловой поток , иногда также называемый плотностью теплового потока [1] , плотностью теплового потока или интенсивностью скорости теплового потока , представляет собой поток энергии на единицу площади в единицу времени . Его единицей СИ являются ватты на квадратный метр (Вт/м 2 ). Он имеет как направление, так и величину, и поэтому является векторной величиной. Чтобы определить тепловой поток в определенной точке пространства, берут предельный случай , когда размер поверхности становится бесконечно малым.
Тепловой поток часто обозначается , индекс q указывает на тепловой поток, в отличие от потока массы или импульса . Закон Фурье является важным приложением этих концепций.
Для большинства твердых тел в обычных условиях тепло переносится в основном за счет теплопроводности , а тепловой поток адекватно описывается законом Фурье.
где - теплопроводность . Отрицательный знак показывает, что тепловой поток перемещается из областей с более высокой температурой в области с более низкой температурой.
Многомерный случай аналогичен, тепловой поток направлен «вниз» и, следовательно, градиент температуры имеет отрицательный знак:
где — оператор градиента .
Измерение теплового потока можно выполнить несколькими различными способами.
Широко известный, но часто непрактичный метод заключается в измерении разницы температур на куске материала с хорошо известной теплопроводностью . Этот метод аналогичен стандартному способу измерения электрического тока, при котором измеряется падение напряжения на известном резисторе . Обычно этот метод трудно реализовать, поскольку тепловое сопротивление испытываемого материала часто неизвестно. Для определения теплового сопротивления потребуются точные значения толщины и теплопроводности материала. Используя тепловое сопротивление вместе с измерениями температуры по обе стороны материала, можно косвенно рассчитать тепловой поток.
Второй метод измерения теплового потока заключается в использовании датчика теплового потока или преобразователя теплового потока для непосредственного измерения количества тепла, передаваемого к/от поверхности, на которой установлен датчик теплового потока. Наиболее распространенным типом датчика теплового потока является дифференциальная термобатарея , которая работает по существу по тому же принципу, что и первый упомянутый метод измерения, за исключением того, что ее преимущество заключается в том, что тепловое сопротивление/проводимость не обязательно должны быть известным параметром. Эти параметры не обязательно должны быть известны, поскольку датчик теплового потока позволяет проводить измерение существующего теплового потока на месте с помощью эффекта Зеебека . Однако дифференциальные термобатарейные датчики теплового потока должны быть откалиброваны, чтобы связать их выходные сигналы [мкВ] со значениями теплового потока [Вт/(м2 ⋅К )]. После калибровки датчика теплового потока его можно использовать для непосредственного измерения теплового потока, не требуя редко известного значения теплового сопротивления или теплопроводности.
Одним из инструментов в арсенале ученого или инженера является энергетический баланс . Такой баланс может быть установлен для любой физической системы, от химических реакторов до живых организмов, и обычно имеет следующий вид
где три термина обозначают скорость изменения во времени соответственно общего количества поступающей энергии, общего количества исходящей энергии и общего количества накопленной энергии.
Теперь, если единственным способом обмена энергией между системой и окружающей средой является передача тепла, то скорость теплопередачи можно использовать для расчета энергетического баланса, поскольку
где мы проинтегрировали тепловой поток по поверхности системы.
В реальных приложениях невозможно знать точный тепловой поток в каждой точке поверхности, но для вычисления интеграла можно использовать аппроксимационные схемы, например, интегрирование по методу Монте-Карло .